Low voltage printed organic electronics

During the last decades, electronics has faced great technological improvements, leading to disruptive changes in everyday applications that have affected every aspect of human life. One of the most recent advances deals with organic semiconductors and their integration into thin-film electronic devices, toward the development of an alternative to conventional silicon electronics. Differently from their inorganic counterparts, organic transistors and circuits are characterized by peculiar features such as great mechanical stability, lightness, transparency, flexibility and, in some cases, even ultraflexibility and conformability. Additionally, their ease of processing and the possibility to fabricate them by means of solution-based and large-area compatible printing techniques make them the ideal candidate for the realization of low-cost and widespread electronic circuitry to be integrated into everyday life products, mainly in the fields of health-care, automation and security. In the path toward the development of mass-produced organic electronic devices, one of the main limitation to be overcome is their high operating voltage, which hinders their integration with thin film batteries and other flexible energy harvesting devices. Within this framework, in the first part of this thesis a low-voltage and low-leakage dielectric bilayer has been optimized and integrated into all-organic, flexible and transparent organic field effect transistors (OFETs), which show low-voltage operation, high yield of fabrication and superior mechanical performances, with great stability up to 1000 bending cycles for an applied strain higher than 1%. The realization of n- and p-type OFETs operating at low voltage, and by means of compatible manufacturing techniques, paved the way toward the realization of complementary organic circuits, and culminated with the realization of the first printed, transparent and all-polymeric ring oscillators and D-Flip-Flops operating at voltages as low as 2V. Afterwards, focusing on the improvement of the mechanical characteristics of these devices, a strategy toward the realization of ultraflexible and conformable circuits, able to conform and adapt to irregular shapes and surfaces, has been implemented. An ultrathin parylene film has been used as substrate, and devices have been encapsulated with an equally thin parylene layer, allowing of the realization of transistors and complementary inverters able to withstand harsh mechanical stresses such as rolling and crumpling with no significant losses in their performances, and leading to the first demonstration of printed, all-organic, transparent and ultraflexible OFETs and inverters operating at low voltage. Lastly, the possibility to move from organic and recyclable devices to biodegradable ones has been considered, with the employment of biodegradable plastics as an alternative to commodity polymers, in order to minimize the environmental impact of the organic electronics. In particular, the substrate constitutes the greatest portion of the volume of the final device, and the employment of degradable substrate materials strongly limits the amount of waste produced. For this reason, biodegradable and compostable Mater-Bi films, onto which non-degradable organic devices have been integrated, act as substrate for the organic transistors presented in the last part of the thesis. In this way, n-type printed and ultraflexible OFETs have been realized, and their effect on the degradation behaviour has been assessed. All the results presented in this work demonstrate how organic electronic devices are a viable alternative for the development and widespread integration of augmented functionalities into consumer products with limited additional costs.

Negli ultimi decenni, la nascita di nuovi sistemi elettronici ha portato a considerevoli cambiamenti in molteplici aspetti della vita quotidiana. Uno degli sviluppi più recenti riguarda i semiconduttori organici e la loro integrazione in dispositivi elettronici a film sottile, con l’obiettivo di creare sistemi alternativi al silicio. A differenza dell’elettronica inorganica, i transistor e circuiti organici sono caratterizzati da alcune peculiarità, quali spiccata stabilità meccanica, leggerezza, trasparenza, flessibilità e, in alcuni casi, anche ultraflessibilità e conformabilità. Questa classe di materiali può inoltre essere trattata per mezzo di processi di stampa, con tecniche da soluzione e compatibili con substrati a larga area, rendendola il candidato ideale per la realizzazione di circuiteria elettronica distribuita e a basso costo, da integrare in prodotti di consumo, in particolare negli ambiti sanitario, dell’automazione e della sicurezza. Una delle principali limitazioni che impediscono la diffusione di questi dispositivi è legata alla tensione di operazione necessaria, nell’ordine di decine di volt, e quindi incompatibile con batterie a film sottile e pannelli solari flessibili. In questo contesto, nella prima parte di questa tesi è stato sviluppato un film dielettrico a bassa tensione e basso leakage, che è stato integrato in transistor organici a effetto campo, flessibili e trasparenti, realizzati con soli materiali organici. Questi transistor sono caratterizzati da operazioni a bassa tensione, una resa di fabbricazione elevata e ottime performance meccaniche, con stabilità fino a 1000 cicli di piegatura con una deformazione applicata superiore all’1%. Sono stati realizzati transistor di tipo p e di tipo n, con tecniche di fabbricazione compatibili, aprendo la strada verso la realizzazione di circuiti organici complementari. In questo modo sono stati dimostrati, per la prima volta, oscillatori e D-Flip-Flop trasparenti e completamente organici, con tensione di operazione di 2V. In seguito, le caratteristiche meccaniche di questi dispositivi sono state perfezionate, con lo sviluppo di transistor e circuiti ultraflessibili e conformabili, quindi capaci di adattarsi a forme e superfici irregolari. Un film ultrasottile di parilene è stato utilizzato come substrato, e i dispositivi sono stati poi incapsulati con un altro film di parilene di ugual spessore, portando così alla realizzazione di transistor e inverter complementari in grado di sopportare stress meccanici elevati quali arrotolamento e accartocciamento, senza significative variazioni di performance. Questi risultati rappresentano la prima dimostrazione di transistor e inverter organici, trasparenti e ultraflessibili, in grado di operare a basse tensioni. Infine, è stata esplorata la possibilità di realizzare dispositivi non solo organici e riciclabili, ma anche biodegradabili, con l’utilizzo di polimeri biodegradabili per minimizzare l’impatto ambientale dei dispositivi elettronici organici. In particolare, il substrato rappresenta la porzione maggiore del volume del dispositivo finito, e l’impiego di substrati degradabili limita considerevolmente la quantità di scarti prodotta. Per questa ragione, film di Mater-Bi, compostabili e biodegradabili, sono stati scelti come substrati per l’integrazione di transistor organici non degradabili. In questo modo, transistor organici e ultraflessibili di tipo n sono stati realizzati, e il loro impatto sulla degradazione del substrato è stato stimato. I risultati presentati in questa tesi dimostrano come l’elettronica organica sia un’ottima alternativa per lo sviluppo e l’integrazione di funzionalità aggiuntive all’interno di prodotti di consumi, con un limitato impatto economico.