Solution processable carbon nanotubes in hybrid organic systems for electronic applications

The recent years have been characterized by marvellous discoveries in new materials. After the silicon electronics revolution that jeopardized the scientific attention, the scientist’s curiosity was directed onto the properties of unconventional materials, with their "smart" characteristics and deposition methods, and possible new application or unconventional uses for old-fashioned materials. From this, interesting materials and their properties have been discovered or eengineered: from the unpredicted performance of materials such as graphene to the realization of organic-based electronics, from raspberry juice, employed in DSSC solar cells, to the unexpected use of PET as substrate for electronics. One of this envisioning materials are carbon nanotubes, whose this thesis is about. Carbon nanotubes emerged during the 90s exhibiting outstanding electronic properties. Their tunable properties are very promising for highperformance carbon based electronics and will significantly contribute to brake the silicon hegemony. This work, carried out at the Center for Nano Science and Technology of the Istituto Italiano di Tecnologia within the framework of the Marie Curie training actions POCAONTAS project, proposes the use of solution processable nanotubes in hybrid organic electronics applications. We did study the role of cost-effective solution processed single-walled nanotubes as charge transport interlayers in solar cells, with an efficiency increase of 27% with respect to a reference bulk heterojunction solar cell without carbon nanotubes. Following, polymer/carbon nanotubes systems are studied in order to increase the thermoelectric properties of conjugated polymers: composites of PEDOT:PSS and multi-walled nanotubes showed an increment of the electrical conductivity, with respect to the starting material, in the presence of low loads of nanotubes. In this context, we proposed a novel approach and data modeling for the determination of the thermal conductivity that opens the opportunity to fulfill the thermoelectric characterization of thin film materials, that still remains a challenge for the materials employed in the emerging field of organic electronics, using standards pump-probe setups. The last part of this work is related to the realization of fully-printed transistors comprising polymer-sorted CNTs. We bring a detailed study of the characteristics of the sorted materials by PFO-BPy polymer. The results obtained, with top FET mobility of the fully-printed devices approaching 10 cm2/V s, places this work between the only few fully-printed devices based on carbon nanotubes networks. With these studies it is demonstrated the versatility of carbon nanotubes in electronic applications, going from the exploitation of their semiconducting character for OPV and FETs as well as their metallicity for organic thermoelectrics.

Gli ultimi anni sono stati caratterizzati da favolose scoperte nel mondo dei nuovi materiali. Dopo la rivoluzione dell'elettronica in silicio, che ha monopolizzato l'attenzione della società scientifica, la curiosità dei ricercatori si è diretta sulle proprietà di materiali non convenzionali, con le loro caratteristiche "intelligenti" e metodi di deposizione, e possibili nuove applicazioni, o usi non convenzionali, per materiali già noti. Grazie a ciò, sono stati scoperti nuovi materiali e studiate, re-ingegnerizzate, le loro proprietà: dalle inimmaginabili prestazioni di materiali come il grafene alla realizzazione di elettronica basata sul carbonio, dall'uso del succo di mirtillo come materiale per celle fotovoltaiche DSSC fino all'inaspettato uso del comune PET come substrato per l'elettronica. Uno di questi materiali innovativi sono i nanotubi di carbonio, argomento principale di questa tesi. I nanotubi di carbonio sono emersi durante gli anni 90 mostrando proprietà elettroniche fuori dall'ordinario. La possibilità di adattare le loro proprietà è una peculiarità estremamente promettente per una elettronica basata sul carbonio ad alte prestazioni e contribuirà ad interrompere l'egemonia del silicio. Questo lavoro, realizzato al Center for Nano Science and Technology dell'Istituto Italiano di Tecnologia nell'ambito del programma Marie-Curie training actions e del suo progetto POCAONTAS, propone l'uso di nanotubi, utilizzabili tramite processi da soluzione, per applicazioni di elettronica organica ibrida. E' stato studiato il ruolo di processi da soluzione a basso costo per nanotubi di cabonio single-walled come interlayer di trasporto di carica in celle solari organiche, con un aumento dell'efficienza del 27% rispetto ad una cella ad eterogiunzione organica di riferimento che non contenesse nanotubi di cabonio. Successivamente sono stati studiati sistemi ibridi polimero/nanotubi per migliorare le proprietà termoelettriche di polimeri coniugati: compositi di PEDOT:PSS e nanotubi di carbonio multi-walled hanno mostrato un aumento della conducibilità elettrica, rispetto al materiale di partenza, quando una bassa quantità di nanotubi era aggiunta. In questo contesto, viene proposto un nuovo approccio e un modello per la determinazione della conducibilità termica: questo apre l'opportunità di completare la caratterizzazione termoelettrica di materiali a film sottile, ancora problematica per i materiali organici, utilizzando un semplice e comune setup di pump-probe. L'ultima parte di questo lavoro riguarda la realizzazione di transistor realizzati interamente tramite tecniche di stampa il cui strato semiconduttore è realizzato da nanotubi di carbonio la cui chiralità è selezionata tramite l'uso di un polimero. Viene riportato uno studio dettagliato delle caratteristiche del materiale selezionato dal polimero PFO-BPy. I risultati ottenuti, con mobilità ad effetto campo che si avvicinano ai 10cm2/Vs, inserisce questo lavoro tra i pochi dispositivi totalmente stampati basati su reti di nanotubi di cabonio. Con questi studi si dimostra la versatilità dei nanotubi di carbonio per applicazioni elettroniche, partendo dallo studio delle loro caratteristiche semiconduttive per fotovoltaico organico e transistor ad effetto campo, fino alla loro metallicità per termoelettrici organici.