Electrolyte-gated transistors for future edible electronics applications

The current environmental concerns are driving research to explore innovative solutions to push the electronic industry towards a “green” transition. Indeed, this sector grapples with substantial challenges, such as the proliferation of plastic waste and the effective disposal of electronic waste(e-waste). To address these concerns, the adoption of biocompatible and biodegradable materials, along with cost-effective manufacturing techniques, is imperative. In this context, the concept of edible electronics emerges as an even more ambitious goal, envisioning devices that are not only biocompatible and/or biodegradable, but also fully digestible and assimilable within the human body. At the core of edible electronics lies the quest for materials having suitable electronic properties certified as edible, a requirement more stringent than mere biocompatibility or biodegradability. The implications of such a paradigm shift are vast, extending from pharmaceuticals to the food industry. The research detailed in this thesis focuses on creating and developing transistors using edible functional materials. Transistors serve as an ideal platform for evaluating the electronic performance of edible materials, as they constitute the fundamental building blocks of any complex circuit. First, a platform for future edible, all-solution processed Electrolyte Gated Transistors (EGOFETs) with a coplanar structure is presented. These transistors are fabricated on edible ethyl cellulose through inkjet printing technique, enabling micrometer-resolution patterning of gold electrodes and organic semiconductor deposition. Of particular note is the achievement in scaling down the coplanar structure design, reducing the size of the Gate electrode by over 100 times compared to the state-of-the-art. This advancement gives easier implementation of these devices in future complex edible circuits. Furthermore, the device were subjected to preliminary simulated human digestion tests following specific standardized protocols in the field of toxicology. These tests reveal the poor bioavailability of the semiconductor in human digestive juices, underlining the need for further investigation into the risk of accumulation in the human body. Subsequently, drawing inspiration from the possibilities of sustainable manufacturing through Bio-fabrication techniques, Bacterial Cellulose is proposed, a waste product from the fermentation of the commercial drink Kombucha, for the manufacture of EGOFET. By utilizing this cellulose both as a material for electrolytic gating and as a substrate for manufacturing via inkjet printing, we demonstrate the feasibility of producing devices characterized by good mechanical stability and operability in air, composed of over 99% edible and recyclable bacterial cellulose. Finally, the interfacing of the edible semiconductor copper(II) phthalocyanine (CuPc), a pigment widely used in toothpastes, with edible electrolytes is investigated through impedance spectroscopy techniques, showing the profound differences in the Gating of different structures of the thin CuPc films, driven by evaporation and Drop-Casting deposition. Together, these results confirm the feasibility of manufacturing electronic devices using edible materials, marking a significant step towards making complex circuits entirely edible.

Le attuali problematiche ambientali stanno spingendo la ricerca verso soluzioni innovative per guidare l'industria elettronica verso una transizione "green". Infatti, questo settore affronta sfide sostanziali, come la proliferazione dei rifiuti plastici e lo smaltimento efficace dei rifiuti elettronici (e-waste). Per affrontare queste problematiche, è necessario adottare materiali biocompatibili e biodegradabili, insieme a tecniche di produzione economicamente vantaggiose. In questo contesto, il concetto di elettronica commestibile emerge come un obiettivo ancora più ambizioso, immaginando dispositivi che non siano solo biocompatibili e/o biodegradabili, ma anche completamente digeribili e assimilabili all'interno del corpo umano. Al cuore dell'elettronica commestibile c'è la ricerca di materiali con proprietà elettroniche adeguate certificati come commestibili, un requisito più stringente della semplice biocompatibilità o biodegradabilità. Le implicazioni di questo cambiamento di paradigma sono vaste, estendendosi dall’industria farmaceutica a quella alimentare. La ricerca presentata in questa tesi si concentra sulla creazione e lo sviluppo di transistor utilizzando materiali funzionali commestibili. I transistor fungono da piattaforma ideale per valutare le prestazioni elettroniche dei materiali commestibili, poiché costituiscono i mattoni fondamentali di qualsiasi circuito complesso. Innanzitutto, viene presentata una piattaforma per futuri transistor elettrolitici (EGOFET) completamente processati da soluzione con una struttura coplanare. Questi transistor sono fabbricati su etilcellulosa commestibile tramite la tecnica di stampa a getto d'inchiostro, permettendo una modellazione a risoluzione micrometrica degli elettrodi d'oro e la deposizione del semiconduttore organico. Particolarmente rilevante è il risultato ottenuto nella riduzione della struttura coplanare, riducendo la dimensione dell'elettrodo di Gate di oltre 100 volte rispetto allo stato dell'arte. Questo avanzamento facilita l'implementazione di questi dispositivi nei futuri circuiti complessi commestibili. Inoltre, i dispositivi sono stati sottoposti a test preliminari di digestione umana simulata seguendo protocolli standardizzati specifici nel campo della tossicologia. Questi test rivelano la scarsa biodisponibilità del semiconduttore nei succhi digestivi umani, sottolineando la necessità di ulteriori indagini sul rischio di accumulo nel corpo umano. Successivamente, ispirandosi alle possibilità di produzione sostenibile attraverso tecniche di Bio-fabbricazione, viene proposta la Cellulosa Batterica, un prodotto di scarto della fermentazione della bevanda commerciale Kombucha, per la fabbricazione di EGOFET. Utilizzando questa cellulosa sia come materiale per il gating elettrolitico sia come substrato per la produzione tramite stampa a getto d'inchiostro, si dimostra la fattibilità di produrre dispositivi caratterizzati da buona stabilità meccanica e operatività in aria, composti per oltre il 99% da cellulosa batterica commestibile e riciclabile. Infine, l'interfacciamento del semiconduttore commestibile ftalocianina di rame(II) (CuPc), un pigmento ampiamente utilizzato nei dentifrici, con elettroliti commestibili è stato studiato attraverso tecniche di spettroscopia di impedenza (EIS), mostrando le profonde differenze nel gating di diverse strutture dei sottili film di CuPc, cresciuti tramite evaporazione e dalla deposizione per Drop-Casting. Questi risultati confermano la fattibilità della produzione di dispositivi elettronici utilizzando materiali commestibili, segnando un passo significativo verso la realizzazione di circuiti complessi interamente commestibili.