Natural resins as dielectric layers in organic field-effect transistors

The research work presented here focused primarily on the characterization and subsequent exploitation of natural materials for Organic Field-Effect Transistors (OFETs), allowing for green technologies that seem to be perfectly coherent with the current efforts for achieving the ambitious goal of sustainability in the field of electronics. Among the main motivations are the impelling ecological issues due to the increasing plastics consumption and other non biodegradable solid waste and the request for safe, non toxic, biocompatibile and biodegradable materials for applications in biomedical devices and human-friendly electronics. All these motives are matching the current efforts pointing to the development of low cost, large volume and use-and-throw devices, restraining the energy required to process materials commonly used in the industrial production of electronic components. The materials investigated in this thesis belong to the class of natural resins, which are soft solid or highly viscous substances, usually containing prepolymers with reactive groups: Mastic, Sandarac, Elemi, Damar, Rosin, Pine resin, Amber, Copal, Myrrh, Frankincense, Guggul, dewaxed and waxed Shellac. Among these, only one (i.e. Shellac) is of animal origin, being produced as a secretion of the insect Kerria found on many trees mainly in India, Thailand and China. Five grades of dewaxed Shellac have been investigated, produced by different insects on different trees and only one type (i.e. Lemon Shellac) which contains natural wax. Norelac B20, an aqueous Shellac solution (ammonium shellac salt) was also tested for OFETs fabrication. Processibility, film forming characteristics, surface morphology and dielectric properties were first extensively characterized and then their use as dielectric and/or capping layers was investigated in Aluminum-gate OFETs with Pentacene semiconductor. Eventually, two additional applications are also presented: Lemon shellac was tested as dielectric layer in OFETs with epindolidione semiconductor, as representative for the class of H-bonded dyes, while TIPS pentacene was dropcasted on dewaxed shellac as solution processed semiconductor.

Il lavoro di ricerca presentato nel seguito ha per obiettivo primario la caratterizzazione e il successivo utilizzo di materiali di origine naturale in transistor organici a effetto di campo, che indirizzano verso tecnologie green perfettamente coerenti con gli attuali sforzi per il raggiungimento dell’ambizioso traguardo di sostenibilità nell’ambito dell’elettronica. Tra le principali motivazioni vi sono l’impellente questione ecologica dovuta al crescente consumo di materiali plastici e di altri non biodegradabili rifiuti solidi, e la richiesta per materiali sicuri, non tossici, biocompatibili e biodegradabili per applicazioni in dispositivi biomedicali ed elettronica human-friendly. Tutte queste ragioni sono all’origine dell’impegno attuale verso lo sviluppo di dispositivi a costo contenuto, adatti a produzione su larga scala e applicazioni usa-e-getta, che mantengano contenuta la domanda energetica nei processi comunemente utilizzati nella produzione industriale di componenti elettronici. I materiali investigati in questo lavoro di tesi appartengono alla classe delle resine naturali, cioè solidi morbidi o sostanze altamente viscose, generalmente contenenti prepolimeri con gruppi reattivi: Mastic, Sandarac, Elemi, Damar, Rosin, resina di Pino, Ambra, Copale, Mirra, Incenso, Guggul, Gommalacca (Shellac) contenente o meno una componente di cera. Tra queste, solo una (cioè Shellac) è di origine animale, in particolare prodotta come secrezione dell’insetto Kerria, diffuso su molti alberi principalmente in India, Tailandia e Cina. Sono state investigate cinque varietà di shellac non contenente cera, prodotte da insetti differenti su alberi di varie specie e una (chiamata ‘Lemon’ shellac) contenente cera naturale. Per la fabbricazione di OFETs si è anche testata Norelac B20, una soluzione acquosa di shellac (sale ammonio di shellac). Processabilità, caratteristiche di formazione del film, morfologia superficiale e proprietà dielettriche sono state inizialmente estensivamente caratterizzate; successivamente si è studiato il loro utilizzo come film dielettrici o passivanti in transistor con gate in Alluminio e pentacene come semiconduttore. Infine sono presentate due ulteriori applicazioni: Lemon shellac è stata testata come dielettrico in OFETs con semiconduttore epindolidione, che è stato selezionato come rappresentativo per la classe delle tinture Hydrogen-bonded, mentre il TIPS pentacene è stato depositato a goccia su shellac non contenente cera, come semiconduttore processato in soluzione.