Estudo de filmes nanoestruturados condutores e self-healing para aplicação em eletrônica flexível

Autor(es)

Gabriel Gaál

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Física Gleb Wataghin
• Data de defesa: 2022-04-29

Membros da banca

Varlei Rodrigues; Francisco das Chagas Marques; Italo Odone Mazali; Lucas Fugikawa Santos; Gregório Couto Faria

• Orientador: Varlei Rodrigues

Resumo

A engenharia controlada de materiais poliméricos permite o desenvolvimento de novas interfaces multifuncionais com propriedades únicas para diversas aplicações tecnológicas. Nesse sentido, a integração de propriedades de autorregeneração (self-healing) com condutividade elétrica permite o desenvolvimento e integração de dispositivos biomiméticos como peles eletrônicas, criando uma interface contínua entre materiais biológicos e eletrônicos. No presente trabalho, exploramos a integração de materiais híbridos a base de grafeno, polímeros condutores e materiais autorregenerativos visando o desenvolvimento futuro de tais interfaces. Para isso, utilizamos a técnica de automontagem por adsorção física (LbL, do inglês Layer-by-Layer) para nanoestruturação dos materiais estudados. A técnica LbL possibilita o desenvolvimento de arquiteturas moleculares distintas explorando as diferentes propriedades de materiais para criação de nanoestruturas multifuncionais com propriedades únicas. Na primeira parte do trabalho apresentamos a caracterização da matriz autorregenerativa de polietilenoimina (PEI) com poli(ácido acrílico) (PAA). Conseguimos associar os regimes de crescimento exponencial e linear da estrutura (PEI/PAA) com mudanças nas propriedades elétricas adquiridas após cada etapa de deposição do filme a partir de medidas elétricas DC tomadas in-situ durante a deposição. Demonstramos também o papel central da água aprisionada na estrutura do filme nas propriedades elétricas, mecânicas e morfológicas dos filmes (PEI/PAA). Em paralelo, juntamente com o Prof. Antônio Riul Júnior, estudamos as propriedades elétricas e mecânicas de filmes condutores e autorregenerativos a base de (PEI/PAA) dopados com com folhas de óxido de grafeno reduzidos (rGO, do inglês Reduced Graphene Oxide), poli(3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonado (PEDOT:PSS), Nanotubos de carbono (MWCNTs, do inglês Multi Walled Carbon Nanotubes) e nanobastões de ouro. Mostramos ainda que a inserção desses materiais não altera o poder de autorregeneração intrínseca dos filmes. Desenvolvemos ainda um dispositivo do tipo língua eletrônica que foi capaz de distinguir os cinco sabores básicos, além de distinguir diferentes níveis de glucose em amostras de suor artificial. Utilizamos tais filmes condutores e autorregenerativos para desenvolver um biossensor capaz de detectar os batimentos cardíacos ex-vivo de um peixe-zebra, com uma razão sinal-ruído de 30 dB. Verificamos também que filmes LbL compósitos de (PEI/PAA) dopados com rGO e PEDOT:PSS apresenta alta anisotropia. Observamos uma diferença de 5 ordens de grandeza na condutividade medida na direção planar em relação a direção interplanar, resultando na maior razão anisotrópica relatada até o momento na literatura para materiais dispostos em multicamadas. Exploramos esse alto valor de anisotropia elétrica em uma nova arquitetura de transistor, onde o filme LbL opera simultaneamente como a camada dielétrica e canal semicondutor do transistor, com o campo elétrico interplanar modulando a condução planar. Finalmente, utilizamos esses mesmos filmes para estudar o impacto do PEDOT:PSS e da água aprisionada na estruturas dos filmes compósitos nas suas propriedades de supercapacitor. Mostramos que a capacitância de filmes recém depositados depende da quantidade de PEDOT:PSS na estrutura do filme, porém, em filmes hidratados, a água aprisionada nos materiais domina a resposta elétrica dos dispositivos (AU)

• Processo FAPESP: 17/19862-3 - Estudo de filmes nanoestruturados condutores e self-healing para aplicação em eletrônica flexível
• Beneficiário: Gabriel Gaál
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado