Multifunctional optical surfaces for optoelectronic devices

Abstract

(English) Highly transparent optical surfaces with anti-reflection (AR) and self-cleaning properties have the potential to increase performance in a wide range of applications, such as display screens, photovoltaic cells or sensors. Nature has provided numerous examples of biological systems with interesting functionalities that have high commercial interest, from the broadband and omnidirectional anti-reflection effect created by the tiny nanopillars found on the corneas of moths’ eyes, to the self-cleaning behaviour of lotus leaves generated by micro-and nanoprotuberances. However, despite intense academic research, replicating such elaborate nanostructures for mass-production remains a major challenge due to the limitations of the existing nanofabrication techniques based on classical optical and e-beam lithography processes. This thesis is devoted to the study of bio-inspired multifunctional nanostructured surfaces with enhanced optical and wetting properties for use in optoelectronic devices. Novel and reliable manufacturing techniques are proposed for patterning organic and inorganic materials with high precision and throughput, aiming to bring this technology out of the laboratory and making it industrially viable. The first part of this study has been centred on glass, as it is one of the most widely used materials for optoelectronic devices. Chapter 3 presents a nanopillar structure created on glass substrates, which provides high anti-reflective properties, enhanced transmission, superhydrophobicity, and high mechanical resistance against external agents. The proposed manufacturing method permits moderate tunability to adapt the structure to the requirements of different applications. The design and optimisation of the fabrication process and a full characterisation of the samples are reported. Chapter 4 describes the combination of two different anti-reflective approaches, state-of-the-art multilayer (ML) anti-reflective coatings and self-cleaning biomimetic nanostructures (NS). The classical ML coating, relying on destructive interference from multiple reflections at layer interfaces is capable of providing excellent AR properties, but with a limited wavelength range and angular acceptance. In addition, it has limited hydrophobicity and self-cleaning properties due to its flat surface. The NS coating can provide broad wavelength and angular AR properties, as well as superhydrophobicity. However, it suffers from mechanical durability issues. In this work, the combination of both methods is presented as an innovative solution, combining greater anti-reflective operational wavelength and angular acceptance, self-cleaning properties, and high mechanical durability. A nanostructured design for transparent oleophobic surfaces is investigated and experimentally demonstrated in Chapter 5. Two new fabrication techniques to create nanocavities on glass are presented. The nanohole structure can repel oil and other low surface tension liquids, and a new wetting model is developed to theoretically explain the mechanism. The porous structure modifies the effective refractive index of the nanostructured layer between the air and the glass, creating an AR effect. The samples present higher transmission, as well as low scattering due to the subwavelength size of the cavities. In addition, the geometry of the surface offers higher mechanical resistance compared to nanopillars, widening the potential applications where it could be used. Finally, in Chapter 6, a new method to nanostructure organic materials with high resolution is presented. Nanostructured thin polyimide films on top of glass surfaces can act as an anti-reflective coating, while adding protection and hydrophobicity. A practical example is demonstrated with transparent electrodes made of Indium Tin Oxide. By covering a surface with nanostructured polyimide, the overall optical response can be improved while its electric properties are protected by the polymeric film.

(Español) Las superficies ópticas altamente transparentes con propiedades antirreflectantes (AR) y autolimpiantes tienen el potencial de aumentar el rendimiento de una amplia gama de aplicaciones, como pantallas de dispositivos móviles, células fotovoltaicas o sensores. La naturaleza ha proporcionado numerosos ejemplos de sistemas biológicos con fascinantes funcionalidades que tienen un alto interés comercial, desde el efecto antirreflejante omnidireccional y de banda ancha creado por los diminutos nanopilares que se encuentran en las córneas de los ojos de las polillas, hasta el comportamiento de autolimpieza de las hojas de loto generadas por micro- y nanoprotuberancias. Sin embargo, a pesar de la intensa investigación académica, la replicación de nanoestructuras para la producción en masa sigue siendo un desafío importante debido a las limitaciones de las técnicas de nanofabricación existentes basadas en los procesos clásicos de litografía óptica y de haz electrónico. Esta tesis está dedicada al estudio de superficies nanoestructuradas multifuncionales bioinspiradas con propiedades ópticas y humectantes mejoradas para su uso en dispositivos optoelectrónicos. Se proponen técnicas de fabricación novedosas y escalables para modelar materiales orgánicos e inorgánicos con alta precisión y con el objetivo de industrializar esta tecnología La primera parte de este estudio se ha centrado en el vidrio, ya que es uno de los materiales más utilizados para dispositivos optoelectrónicos. El Capítulo 3 presenta una estructura nanopilar creada sobre sustratos de vidrio que proporciona altas propiedades antirreflectantes, transmisión mejorada, superhidrofobicidad y alta resistencia mecánica frente a agentes externos. El método de fabricación propuesto permite un ajuste moderado para adaptar la estructura a diferentes aplicaciones. Se expone el diseño y optimización del proceso de fabricación y una caracterización completa de las muestras. El Capítulo 4 describe la combinación de dos tecnologías antirreflectantes diferentes, recubrimientos antirreflectantes multicapa (MC) y nanoestructuras biomiméticas (NS) autolimpiantes. El recubrimiento MC clásico es capaz de proporcionar excelentes propiedades AR pero con un rango óptimo de longitud de onda y un ángulo de incidencia limitados. Además, tiene propiedades de hidrofobicidad limitadas debido a su superficie plana. El recubrimiento NS puede proporcionar propiedades AR de longitud de onda amplia y buena respuesta angular, así como superhidrofobicidad. Sin embargo, sufre problemas de durabilidad mecánica. En este trabajo, la combinación de ambos métodos se presenta como una solución que combina mayor longitud de onda operativa antirreflectante y aceptación angular, propiedades de autolimpieza y alta durabilidad mecánica. En el Capítulo 5 se investiga y se demuestra experimentalmente un diseño nanoestructurado para superficies oleofóbicas transparentes. Se presentan dos nuevas técnicas de fabricación para crear nanocavidades en vidrio. La estructura de nanoagujeros puede repeler aceite y otros líquidos de baja tensión superficial, y se desarrolla un nuevo modelo de humectación para explicar teóricamente el mecanismo. La estructura porosa modifica el índice de refracción efectivo de la capa nanoestructurada entre el aire y el vidrio, creando un efecto AR. Las muestras presentan mayor transmisión, así como baja dispersión debido al tener nanocavidades de un tamaño inferior a la longitud de onda incidente. Además, la geometría de la superficie ofrece una mayor resistencia mecánica en comparación con los nanopilares, lo que amplía las posibles aplicaciones donde podría utilizarse. Finalmente, en el Capítulo 6, se presenta un nuevo método para nanoestructurar materiales orgánicos con alta resolución. Las películas delgadas de poliimida nanoestructuradas en la parte superior de las superficies de vidrio pueden actuar como un revestimiento antirreflectante, al tiempo que agregan protección e hidrofobicidad.