Publicação
Development of conductive inks and memristive active material for printed electronic applications
| Resumo: | Com a implementação da Internet das Coisas, fez revolucionar os requisitos para sensores inteligentes, necessitando elevada eficiência energética além de manter os custos de fabricação reduzidos. Um dos candidatos mais promissores é o memristor, um dispositivo de dois terminais em que a resistividade elétrica muda entre diferentes níveis quando exposto a um estímulo elétrico. O memristor possui características que proporcionam uma oportunidade única para avançar no desenvolvimento na computação neuromórfica permitindo a criação de circuitos mais eficientes. A eletrónica impressa permite deposição a baixo custo e baixa temperatura para produção e processamento de materiais. A maior parte dos solventes utilizados nas tintas convencionais apresentam toxicidade, existindo por isso uma preocupação crescente na sua substituição por solventes mais amigos do ambiente. Este necessário objetivo da ecosustentabilidade foi levado em consideração neste trabalho. Assim, o foco desta tese é o desenvolvimento de tintas funcionais e condutoras vocacionado para o fabrico de memristors. Para esse objetivo é necessária a formulação de duas classes distintas de tintas: uma tinta condutora e uma tinta funcional para a camada ativa do memristor. Para a tinta condutora, foram escolhidas formas de alótropo de carbono. Ao contrário dos metais, que podem ser escassos e levar a problemas ambientais durante a extração e refinação, os alótropos de carbono podem ser produzidos de forma escalável e sustentável, com boas propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. Os trabalhos iniciais estão focados na otimização da tinta e a sua influência nas propriedades dos filmes impressos. Para isso o grafeno foi escolhido como carga condutora. Primeiro a influência de diferentes cargas de grafeno e depois a influência de diferentes matrizes foi avaliada alcançando resistência folha abaixo dos 100 Ω/sq e com um gauge factor até 4. O passo seguinte foi implementar tintas condutoras em aplicação eletrónica em sensores, nomeadamente como camada de deteção num sensor capacitivo de 8x8 polegadas com um sinal/ruido de 10. Para a tinta funcional para memristors doi escolhido o óxido de índio-gálio-zinco (IGZO), um óxido semicondutor com propriedades promissoras de comutação resistiva. A espessura do IGZO influencia tanto a janela de memória quanto a tensão de comutação dos dispositivos. Os dispositivos mostram comutação volátil e não-volátil com baixa tensão de funcionamento abaixo de 5V. Essas características voláteis permitiram que fossem testados como uma prova inicial de conceito para aplicações de processamento de sinais temporais. No geral, esta tese representa um passo dado no desenvolvimento de tintas sustentáveis para ser aplicado em sensores e memristors impressos. |
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| Autores principais: | Franco, Miguel Alexandre Martins |
| Assunto: | Eletrónica verde Eletrónica impressa Tintas condutoras Memristors Green electronics Printed electronics Conductive inks Engenharia e Tecnologia::Engenharia dos Materiais |
| Ano: | 2024 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | Com a implementação da Internet das Coisas, fez revolucionar os requisitos para sensores inteligentes, necessitando elevada eficiência energética além de manter os custos de fabricação reduzidos. Um dos candidatos mais promissores é o memristor, um dispositivo de dois terminais em que a resistividade elétrica muda entre diferentes níveis quando exposto a um estímulo elétrico. O memristor possui características que proporcionam uma oportunidade única para avançar no desenvolvimento na computação neuromórfica permitindo a criação de circuitos mais eficientes. A eletrónica impressa permite deposição a baixo custo e baixa temperatura para produção e processamento de materiais. A maior parte dos solventes utilizados nas tintas convencionais apresentam toxicidade, existindo por isso uma preocupação crescente na sua substituição por solventes mais amigos do ambiente. Este necessário objetivo da ecosustentabilidade foi levado em consideração neste trabalho. Assim, o foco desta tese é o desenvolvimento de tintas funcionais e condutoras vocacionado para o fabrico de memristors. Para esse objetivo é necessária a formulação de duas classes distintas de tintas: uma tinta condutora e uma tinta funcional para a camada ativa do memristor. Para a tinta condutora, foram escolhidas formas de alótropo de carbono. Ao contrário dos metais, que podem ser escassos e levar a problemas ambientais durante a extração e refinação, os alótropos de carbono podem ser produzidos de forma escalável e sustentável, com boas propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. Os trabalhos iniciais estão focados na otimização da tinta e a sua influência nas propriedades dos filmes impressos. Para isso o grafeno foi escolhido como carga condutora. Primeiro a influência de diferentes cargas de grafeno e depois a influência de diferentes matrizes foi avaliada alcançando resistência folha abaixo dos 100 Ω/sq e com um gauge factor até 4. O passo seguinte foi implementar tintas condutoras em aplicação eletrónica em sensores, nomeadamente como camada de deteção num sensor capacitivo de 8x8 polegadas com um sinal/ruido de 10. Para a tinta funcional para memristors doi escolhido o óxido de índio-gálio-zinco (IGZO), um óxido semicondutor com propriedades promissoras de comutação resistiva. A espessura do IGZO influencia tanto a janela de memória quanto a tensão de comutação dos dispositivos. Os dispositivos mostram comutação volátil e não-volátil com baixa tensão de funcionamento abaixo de 5V. Essas características voláteis permitiram que fossem testados como uma prova inicial de conceito para aplicações de processamento de sinais temporais. No geral, esta tese representa um passo dado no desenvolvimento de tintas sustentáveis para ser aplicado em sensores e memristors impressos. |
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