Inkjet printing next-generation flexible devices: memristors, photodetectors and perovskite LEDs

Abstract

[eng] New pressures due to emerging trends in device manufacturing are driving research efforts in new materials and manufacturing processes to achieve new combinations of properties, including capabilities such as physical and chemical sensing, conductivity, flexibility, transparency and those related to the internet of things. To face these challenges, printed electronics allows the deposition of next generation materials in ink form, at low cost, with the potential for scalable manufacturing. Inkjet printing is a solution-based deposition technology that allows the deposition of a multitude of functional materials. Thanks to its ability to form patterns digitally, device geometry can be defined without the need for a mask or photolithographic processes, reducing manufacturing costs and enabling rapid prototyping of device architectures. Inkjet printing can be used to manufacture complete device structures, or to deposit innovative materials as a complement to other more established deposition technologies. This thesis tries to show the versatility of inkjet printing as a device manufacturing technology to address future challenges. After the study and validation of various families of nanostructured materials printed by inkjet, three different types of devices are manufactured and characterized. The devices cover several application fields-, highlighting the adaptability of inkjet printing: h-BN 2D memristors, metal oxide nanoparticle photodetectors, and light emitting diodes (LEDs). The first experiments in this thesis deal with 2D inkjet printed h-BN nanoflake memristors for hardware security applications. Memristors are a family of devices whose electrical resistance can be adjusted by electrical manipulation. Although they have shown promising results as information storage units, the applicability of memristors is still subject to their limited device-to-device and cycle-to-cycle repeatability. In this thesis, the inherent stochasticity of memristors is exploited for use as true random number generators (TRNGs) and their application as physical non-clonable functions (PUFs). Next, inkjet printed metal oxide nanoparticle photodetectors are demonstrated. As wide-bandgap materials, metal oxides can play a promising role in selective, transparent, mechanically flexible, and low-cost UV photodetectors. In the final sections, the rapidly developing field of perovskite LEDs (PeLEDs) is surveyed, focusing on inkjet printing of CsPbBr3 inorganic perovskite quantum dot LEDs. Although efforts in the PeLEDs literature have focused on achieving record efficiencies with lab-scale techniques such as spin coating, few researchers have demonstrated scalable fabrication technologies for perovskite LEDs through solution processing such as inkjet printing. Here, the feasibility of inkjet printing is validated by showing fully printed PeLEDs (except the contacts) on flexible and rigid substrates, achieving pure green emission centered at 517 nm with a narrow half maximum down to 22 nm, consistent with the literature results of perovskite layers obtained by more established techniques, demonstrating that the properties of the perovskite layers are maintained in the inkjet deposition process. In this thesis, luminances of up to 17920 cd/m2 have been achieved for devices manufactured using a combination of thermal evaporation and inkjet, and of up to 324 cd/m2 for fully inkjet printed structures. In addition, low-temperature post-processing inorganic metal oxide transport layers are demonstrated, which replace widely used organic materials as a validation step towards more stable fully inorganic device structures.

[cat] Les noves pressions degudes a tendències emergents en dispositius estan impulsant la recerca de nous materials i processos de fabricació. Per fer front a aquests reptes, el camp de l'electrònica impresa permet la deposició de materials de nova generació en forma de tinta, a baix cost, amb el potencial de fabricació escalable. La impressió per injecció de tinta (inkjet) és una tecnologia de deposició basada en solució que permet definir la geometria de dispositiu sense necessitat de màscares o processos fotolitogràfics. La impressió inkjet es pot utilitzar per a fabricar estructures de dispositiu completes o com a complement de tecnologies més consolidades per a dipositar materials innovadors. Aquesta tesi mostra la versatilitat de la impressió inkjet per a abordar reptes futurs. Es fabriquen i es caracteritzen tres tipus diferents de dispositius, destacant l'adaptabilitat de la impressió inkjet: memristors de h-BN 2D, fotodetectors de nanopartícules d'òxid metàl·lic i díodes emissors de llum (LED). Els primers experiments d'aquesta tesi tracten amb memristors de nanoflakes de h-BN 2D impresos mitjançant inkjet per a aplicacions de seguretat de maquinari. Tot i que a la literatura se n'han demostrat resultats prometedors per a l'emmagatzematge d'informació, els memristors estan subjectes a una repetibilitat limitada. En aquesta tesi, l'estocasticitat dels memristors s'aprofita per utilitzar-los com a generadors de nombres aleatoris veritables (TRNG) i com a funcions físiques no clonables (PUF). A continuació, es demostren fotodetectors de nanopartícules d'òxid metàl·lic impresos per injecció de tinta. Com a materials de banda ampla, els òxids metàl·lics poden complir un paper prometedor en fotodetectors ultraviolats selectius de baix cost, transparents i mecànicament flexibles. Les seccions finals tracten la impressió inkjet de LEDs de punts quàntics de perovskita inorgànica CsPbBr3. Tot i que els esforços en la literatura de LEDs de perovskita (PeLED) s'han centrat en obtenir eficiències rècord amb tècniques a escala de laboratori, com ara el spin coating, s'han demostrat pocs resultats mitjançant tecnologies de fabricació per processat en solució escalables. Aquí, la viabilitat de la impressió inkjet es valida mostrant PeLEDs totalment impresos en substrats flexibles i rígids, en estructures de dispositiu amb capes de transport d'òxids metàl·lics, aconseguint una emissió verda pura centrada a 517 nm amb un FWHM estret de fins a 22 nm.