Estudo de materiais e dispositivos para eletrônica orgânica - Albano, Luíz Gustavo Simão [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2018)
Atualmente, a eletrônica baseada em materiais orgânicos vem ganhando visibilidade no cenário científico e tecnológico devido à alta flexibilidade mecânica e baixo custo desses materiais. A fabricação de dispositivos eletrônicos baseados em materiais orgânicos e técnicas de baixo custo é um desafio pertinente e atual. Os transistores merecem destaque por serem a base da tecnologia atual. Em especial, uma arquitetura vertical comumente conhecida como VOFET (Transistor Orgânico de Efeito de Campo em Arquitetura Vertical) vem sendo explorada nos últimos anos. Entretanto, um problema comum em VOFETs é o eletrodo intermediário, o qual deve ser permeável a campos elétricos e apresentar baixa resistência de folha utilizando técnicas com baixo custo de produção. Desta forma, na primeira parte deste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um eletrodo intermediário baseado em nanofios de prata utilizando a técnica de baixo custo conhecida como Mayer rod-coating. Os eletrodos otimizados foram aplicados em dispositivos VOFETs, resultando em transistores com densidades de corrente de 2,5 mA/cm2 e razão on/off de 5x103, utilizando tensões de operação de até 2 V. Além dos semicondutores orgânicos comumente sintetizados, corantes naturais também vêm sendo explorados para aplicações em dispositivos eletrônicos. Dentre eles, a melanina desperta atenção por ser um pigmento natural encontrado em vários sistemas biológicos. No corpo humano a melanina é responsável por funções como pigmentação, fotoproteção e termoregulação. Suas características de transporte em função da umidade associada à sua alta biocompatibilidade, tem originado considerável interesse para aplicações em dispositivos eletrônicos. Apesar de suas vantagens, quando extraída in vivo a melanina apresenta considerável irregularidade estrutural e pouca solubilidade, sendo necessário o desenvolvimento de rotas sintéticas para a obtenção de filmes finos de qualidade. Assim, na segunda parte deste trabalho, foi explorada a obtenção de filmes finos de melanina para aplicações na eletrônica orgânica. Os resultados obtidos permitiram à aplicação desse material em transistores eletroquímicos. Além disso, um estudo considerando diferentes condições de umidade relativa e pHs permitiu mostrar que sua condutividade é governada pela reação de comproporcionamento. Na terceira parte deste trabalho, foi estudada a fabricação de filmes finos utilizando diferentes porcentagens de melanina em matrizes de álcool polivinílico, para simultâneas aplicações como filtros protetores de radiação ultravioleta e capacitores orgânicos transparentes. Os filmes finos fabricados apresentaram excelente desempenho contra os raios UVA, bloqueando 100 % dos raios incidentes, além de funcionar de forma simultânea como capacitores orgânicos transparentes utilizando nanofios de prata como eletrodos. A integração dos filtros com a eletrônica orgânica permite futuras aplicações desse sistema em janelas ópticas inteligentes. Na última parte deste trabalho, foi estudada a reticulação de cadeias poliméricas do álcool polivinílico através inserção da melanina com intuito de substituir o dicromato de amônio, tradicionalmente utilizado na de reticulação do polímero. Os resultados obtidos mostraram que os filmes finos com 0,5 % de melanina apresentaram uma redução na densidade de corrente de quase duas ordens de magnitude em comparação com os filmes finos de álcool polivinílico, comportamento similar quando a reticulação é realizada com dicromato de amônio. Os resultados obtidos neste trabalho mostram a possibilidade de fabricar dispositivos eletrônicos baseados em materiais orgânicos e técnicas de baixo custo. O uso da melanina mostra ser uma alternativa interessante, pois além de sua alta biocompatibilidade, este material pode desempenhar diferentes funções em dispositivos eletrônicos.

Currently, electronics based on organic materials has been acquiring visibility in the scientific and technological scenario due to the high mechanical flexibility and low-cost of these materials. The fabrication of electronic devices based on organic materials and low-cost techniques is a relevant and current challenge. Transistors deserve attention because they are the base of our current technology. In particular, a vertical architecture commonly known as VOFET (Vertical Organic Field Effect Transistor) has been explored in recent years. However, a common issue in VOFET structure is the intermediate electrode, which must be permeable to electric fields with low sheet resistance using low-cost production techniques. Thus, in the first part of this work, the development of an intermediate electrode based on silver nanowires using the low-cost technique known as Mayer rod-coating is presented. The optimized electrodes were applied in VOFETs, resulting in devices with current densities of 2.5 mA/cm2 and on/off ratio of 5x103, using operating voltages up to 2 V. Apart from to the organic semiconductors commonly synthesized, natural dyes are also being explored in organic electronics. Among them, melanin deserves attention because it is a natural pigment found in several biological systems. In the human body melanin is responsible for functions such as pigmentation, photoprotection and thermoregulation. The humidity-dependent electrical response associated with the high biocompatibility has provided considerable interest for applications in electronic devices. However, melanin when extracted in vivo presents considerable structural irregularity and low solubility. In this way, the development of synthetic routes to obtain thin films with quality has been considered. Thus, in the second part of this work, the fabrication of melanin thin films was explored for applications in organic electronics. The results obtained allowed the application of melanin thin films in electrochemical transistors. In addition, a study considering different conditions of relative humidity allowed observe that its electronic conductivity is governed by the comproportionation reaction. In the third part of this work, the fabrication of poly(vinyl alcohol) thin films with different percentages of melanin were studied for simultaneously applications as ultraviolet filters and transparent organic capacitors. The thin films fabricated presented good performance against UVA radiation, blocking 100 % of the incident rays and working as transparent organic capacitors using silver nanowires as electrode. The integration of the filters with organic electronics allows future applications of this system in smart windows. In the last part of this work, the crosslinking of poly(vinyl alcohol) polymer chains through melanin incorporation was studied in order to replace ammonium dichromate. Ammonium dichromate is traditionally used in the poly(vinyl alcohol) crosslinking process. The results showed that the thin films with 0.5 % of melanin presented a reduction factor of almost 100 in current density when compared to the neat thin films, similar behavior when the crosslinking is performed with inorganic materials. The results obtained in this work showed the possibility to fabricate electronic devices based on organic materials and low-cost techniques. In addition, the use of melanin is an interesting alternative due to the fact that this material has high biocompatibility and can perform different functions in electronic devices.
Study of materials and devices for organic electronics
Keywords: Eletrônica orgânica; Transistores verticais; Nanofios de prata; Melanina; Filtros ultravioleta; Capacitores orgânicos transparentes; Organic electronics; Vertical transistors; Silver nanowires; Melanin; Ultraviolet filters; Transparent organic capacitors