Inkjet printing of two dimensional material-based photodetectors

Layered materials feature a peculiar structure characterized by a strong anisotropy in the chemical bonding: atoms are held together by covalent bonds along particular directions, forming planes which are then held together by Van der Waals interactions. This weak bonding among planes allows exfoliating the layered materials into single layers. Graphene, for example, is a single layer of graphite and it is the most famous two-dimensional (2D) crystal, due to its unique properties. In nature, however, there are hundreds of layered materials. So other 2D materials have been discovered, such as transition metal dichalcogenides (TMDCs). They offer complementary properties to graphene, being semiconductors. Therefore, graphene and TMDCs can be used to fabricate photodetectors, where graphene is used as electrode and a TMDC is used as photo-active material. In this thesis a scalable technique such as liquid-phase exfoliation (LPE) is used to produce wet dispersions of 2D crystals of graphene and different TMDCs. The obtained dispersions can be used as functional inks for inkjet printing in order to produce photodetectors which can be fabricated onto different substrates, ranging from paper (used in this work) to plastic and silicon. The aim of this project is to characterize and optimize photodetectors' performance by using different types of TMDCs, either alone or mixed together or with other materials, for a fixed device geometry. Specifically, the goals for the optimization were: improvement of the generated photocurrent; broadening of the device response spectral range and tuning of the wavelength at which device's performance is maximum. The quality of the dispersions was first assessed using atomic force microscopy (AFM), Raman spectroscopy, rheology characterization and UV-Vis-NIR spectroscopy. The printed detectors were characterized by photocurrent and responsivity as well as external quantum efficiency were used as figures of merit to compare different materials and optimization strategies implemented. A ranking among the materials can be derived and, performance optimization led to an improvement in photoresponsivity in both terms of spectral range and amount of generated photocurrent.

I materiali stratificati hanno una struttura caratterizzata da una forte anisotropia nei legami chimici: gli atomi sono tenuti insieme da legami covalenti lungo particolari direzioni, formando dei piani legati tra loro da interazioni di Van der Waals. Questi legami deboli ne permettono l'esfolizione in singli strati. Il grafene è un singolo strato di grafite ed è il materiale bidimensionale (2D) più celebre gazie alle sue proprietà. In natura esistono centinaia di materiali stratificati. Perciò altri materiali 2D sono stati scoperti, ad esempio i dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC). Questi, essendo semiconduttori, offrono proprietà complementari al grafene. Grafene e TMDC possono essere usati per fabbricare fotorivelatori dove il grafene viene usato come elettrodo e i TMDC come materiali foto-attivi. In questo lavoro una tecnica scalabile come l'esfoliazione in fase liquida (LPE) è stata usata per produrre dispersioni di grafene e diversi TMDC. Queste possono essere usate come inchiostri funzionali per l'inkjet printing per produrre fotorivelatori che possono essere fabbricati su diversi substrati, dalla carta (usata in questo lavoro) fino a plastica o silicio. Lo scopo di questo progetto è quello di caratterizzare e ottimizzare le performance dei fotorivelatori usando diversi TMDC, sia da soli che mescolati insieme o con altri materiali, per una fissata geometria del dispositivo. Gli obiettivi dell'ottimizzazione sono: aumento della fotocorrente, allargamento dello spettro della radiazione da cui si ha foto-risposta e modulazione della lunghezza d'onda di massima performance del dispositivo. La qualità delle dispersioni è stata studiata con microscopia a forza atomica (AFM), spettroscopia Raman, caratterizzazione reologica e spettroscopia UV-Vis-NIR. I dispositivi stampati sono stati caratterizzati mediante la fotocorrente generata e responsività e efficienza quantica sono state usate come figure di merito per paragonare i TMDC e le strategie di ottimizzazione. E' stata stilata una classifica tra i materiali e l'ottimizzazione delle performance ha portato a miglioramenti nella responsività sia in termini di larghezza dello spettro che di fotocorrente.