Transparent surfaces based on ultrathin materials with tailored optical and biological functionalities

Abstract

(English) The properties of ultrathin materials present exciting opportunities to develop multifunctional surfaces. In addition, the use of plastic and thin glass as transparent substrates has the potential to extend the use of ultrathin materials beyond conventional substrates and provide vital advancements to existing and emerging technologies across a wide range of sectors. One of the main challenges facing next-generation transparent substrates is the substantially reduced temperature processing window which is not compatible with materials requiring high fabrication temperatures. This thesis describes the development of fabrication techniques to obtain ultrathin materials on low thermal budget transparent substrates to create surfaces with advanced optical and biological functionalities. More specifically, this thesis describes: • A novel, low temperature transfer technique onto flexible substrates for ultrathin materials such as graphene, MoS2 and nanostructured metals that were previously grown at a much higher temperature. The universality of the method extends the use of these ultrathin materials to a wide range of technologically relevant substrates such as cover glass for display modules and polymeric substrates for next generation foldable and bendable electronics. • A novel approach to naturally increase electrical conductivity of transparent surfaces based on graphene, without the need of post-treatment, electrical gating or high temperatures. Notably, the method achieves a conductivity of comparable magnitude or greater than what is reported in previous studies. Furthermore, the increase in electrical conductivity is realised simply by utilizing an ion-exchanged substrate, a technologically relevant transparent glass substrate that is widely used in touch screen displays (e.g. smart phones). • A low temperature metal dewetting technique to obtain transparent antimicrobial nanostructured coatings on a cover glass substrate for display modules. The durability of the coatings was evaluated under conditions designed to simulate real-world use cases such as capacitive touch displays. The results show that the coatings were capable of substantially retaining optical properties of the underlying substrate, such as haze, neutral colour, and visible light transmission, as well as retaining antimicrobial properties after repeated contact with external objects such as, for example, when wiping with a towel or cloth, or touching with human fingers. The results of this thesis demonstrate the implementation of ultrathin and nanostructured materials, such as graphene and nanostructured metals onto a wide range of technologically relevant transparent substrates, by methods that are industrially scalable and compatible with low temperature processing. At the same time, surfaces are engineered with advanced optical and biological functionalities that are relevant for applications such as transparent electrodes and antimicrobial coatings.

(Català) Les propietats dels materials ultratins presenten oportunitats interessants per desenvolupar superfícies multifuncionals. A més, l'ús de plàstic i vidre fi com a substrats transparents té el potencial d'estendre l'ús de materials ultrafins més enllà dels substrats convencionals i proporcionar avenços vitals a les tecnologies existents i emergents en una àmplia gamma de sectors. Un dels principals reptes als quals s'enfronten els substrats transparents de nova generació és la finestra de processament de temperatura substancialment reduïda que no és compatible amb els materials que requereixen altes temperatures de fabricació. Aquesta tesi descriu el desenvolupament de tècniques de fabricació per obtenir materials ultrafins en substrats transparents de baix pressupost tèrmic per crear superfícies amb funcionalitats òptiques i biològiques avançades. Més concretament, aquesta tesi descriu: • Una nova tècnica de transferència de baixa temperatura en substrats flexibles per a materials ultraprims com el grafè, MoS2 i metalls nanoestructurats que anteriorment es conreaven a una temperatura molt més alta. La universalitat del mètode estén l'ús d'aquests materials ultratins a una àmplia gamma de substrats tecnològicament rellevants com el vidre de coberta per a mòduls de visualització i substrats polimèrics per a la propera generació electrònica plegable i doblegable. • Un nou enfocament per augmentar de forma natural la conductivitat elèctrica de superfícies transparents basades en el grafè, sense necessitat de posttractament, portes elèctriques o altes temperatures. En particular, el mètode aconsegueix una conductivitat de magnitud comparable o més gran que el que s'informa en estudis anteriors. A més, l'augment de la conductivitat elèctrica es realitza simplement mitjançant l'ús d'un substrat intercanviat d'ions, un substrat de vidre transparent tecnològicament rellevant que s'utilitza àmpliament en pantalles tàctils (p. ex. telèfons intel·ligents). • Una tècnica de dewetting de metall de baixa temperatura per obtenir recobriments nanoestructurats antimicrobians transparents en un substrat de vidre de coberta per mòduls de visualització. La durabilitat dels recobriments es va avaluar en condicions dissenyades per simular casos d'ús del món real com ara pantalles tàctils capacitives. Els resultats mostren que els recobriments eren capaços de retenir substancialment les propietats òptiques del substrat subjacent, com ara la boirina, el color neutre i la transmissió de llum visible, així com retenir les propietats antimicrobianes després de contacte repetit amb objectes externs com, per exemple, quan es cableja amb una tovallola o un drap, o tocar amb els dits humans. Els resultats d'aquesta tesi demostren l'aplicació de materials ultraprims i nanoestructurats, com el grafè i els metalls nanoestructurats en una àmplia gamma de substrats transparents tecnològicament rellevants, per mètodes que són industrialment escalables i compatibles amb el processament de baixes temperatures. Al mateix temps, les superfícies estan dissenyades amb funcionalitats òptiques i biològiques avançades que són rellevants per a aplicacions com elèctrodes transparents i recobriments antimicrobians.