Optoelectronic properties and photonic-based processing of printed conductive thin-film architectures

Gerlein Reyes, Luis Felipe (2024). Optoelectronic properties and photonic-based processing of printed conductive thin-film architectures. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The developing field of hybrid printed electronics promises a suitable replacement for many traditional silicon-based technologies by lowering manufacturing costs and increasing production speed, while offering similar performance. To realize this, novel approaches of additive manufacturing and processing of devices are required, aiming to meet industrial requirements such as high electrical conductivity, optical transmittance, long device lifetime.

This doctorate thesis demonstrates various applications of nanomaterials processing of atop different substrates, including direct laser and photonic sintering, to produce optoelectronic devices and aimed to obtain reliable and reproducible results. To do this, a literature review is presented where the principles of photonic processing are explained, followed by an overview of the up-to-date processing techniques and optoelectronics device applications. After, a description of the role of metal-oxides and metallic nanostructures in optoelectronics, with emphasis on processing of TiO2 and silver nanowires.

Following the literature review, large-area, on-demand crystallization of TiO2 thin films are presented using a low-cost, of-the-shelf 405 nm laser source. This application of direct laser processing shows the optimization process to achieve single or hybrid films of anatase or rutile TiO2, that are produced at room conditions, without the need of additional equipment.

After, transparent conductive electrodes made of silver nanowires are processed using photonic sintering with state-of-the-art processing equipment. This project compares their optical-to-electrical figures of merit with those of films fabricated using traditional thermal methods. A new figure of merit metric is proposed to correlate the effects of the processing pulse fluence and the final sheet resistance of the films.

Lastly, a multi-material ensemble made of silver nanowires and TiO2 is processed using two independent photonic sintering steps, done on a heat-sensitive, flexible substrate. The results show how different materials can be processed using the same photonic sintering machine by taking advantage of their divergent physical qualities. Metallic nanostructures benefit from short-pulse, high peak power density conditions and, photo-sensitive metal-oxides respond to long-pulse, low peak power density processing conditions. This multi-material processing approach is the result of years of experience working on printed electronics, refining the knowledge of various additive manufacturing avenues, and a deep understanding of photonic processing done over a wide variety of materials. These results will undoubtedly be useful in the future development of flexible, high-performance optoelectronic devices and contribute with the advancement of scientific knowledge for materials processing in printed electronics.

The results of additional research projects are also presented as part of this thesis. First, the work done with chalcogenide lead-sulfide nanocrystals, that included mastering the synthesis of PbS quantum dots for size control and characterization of their optical properties. These were utilized in QD assemblies using ligand exchange to build photodetectors and a quantum dot sensitized solar cell made with TiO2. The fill-factor of this device was improved by the addition of multi-walled carbon nanotubes that facilitated the charge extraction. Second, an industrial project that aimed to understand and optimize the fabrication of graphene-based inks for screen printing, made with an industrial-grade graphene. This project demanded understanding the properties of graphene materials by doing in-depth analysis of its Raman characteristics, and how the material responds to different post-processing techniques to create screen-printing inks.

Titre traduit

Propriétés optoélectroniques et traitement photonique des architectures de films minces conducteurs imprimes

Résumé traduit

Le domaine en développement de l’électronique imprimée hybride promet de constituer une alternative appropriée a de nombreuses technologies traditionnelles à base de silicium en réduisant les couts de fabrication et en augmentant la vitesse de production, tout en offrant des performances similaires. Pour concrétiser cette vision, des approches novatrices de fabrication additive et de traitement des dispositifs sont nécessaires, visant à répondre aux exigences industrielles telles que la haute conductivité électrique, la transmittance optique et la longue durée de vie des dispositifs.

Cette thèse de doctorat démontre diverses applications du traitement des nanomatériaux sur différents substrats, y compris la sintérisation directe au laser et photonique, pour la production de dispositifs optoélectroniques, avec pour objectif d’obtenir des résultats fiables et reproductibles. Pour ce faire, une revue de la littérature est présentée, ou les principes du traitement photonique sont expliqués, suivis d’un aperçu des techniques de traitement et des applications de dispositifs optoélectroniques à jour. Ensuite, une description du rôle des oxydes métalliques et des nanostructures métalliques en optoélectronique est présentée, mettant l’accent sur le traitement du TiO2 et des nanofils d’argent.

À la suite de la revue de la littérature, la cristallisation à grande échelle à la demande de films minces de TiO2 est présentée en utilisant une source laser de 405 nm bon marche et disponible dans le commerce. Cette application du traitement laser direct démontre le processus d’optimisation pour obtenir des films uniques ou hybrides d’anatase ou de rutile TiO2 produits dans des conditions ambiantes, sans nécessiter d’équipement supplémentaire.

Ensuite, des électrodes conductrices transparentes fabriquées à partir de nanofils d’argent sont traitées à l’aide d’un équipement de traitement de pointe par frittage photonique. Ce projet compare leurs figures de mérite optoélectroniques avec celles des films fabriques à l’aide de méthodes thermiques traditionnelles. Une nouvelle métrique de la figure de mérite est proposée pour corréler les effets de la densité d’énergie de l’impulsion de traitement et la résistance en feuille finale des films.

Enfin, un ensemble multi-matériaux compose de nanofils d’argent et de TiO2 est traite en utilisant deux étapes indépendantes de frittage photonique, réalisées sur un substrat souple sensible à la chaleur. Les résultats montrent comment différents matériaux peuvent être traites à l’aide de la même machine de frittage photonique en exploitant leurs qualités physiques divergentes. Les nanostructures métalliques bénéficient de conditions à densité de puissance de crête élevée et d’impulsions courtes, tandis que les oxydes métalliques photosensibles répondent à des conditions de traitement à densité de puissance de crête faible et d’impulsions longues. Cette approche de traitement multi-matériaux est le fruit de nombreuses années d’expérience dans le domaine de l’électronique imprimée, de l’affinement des connaissances sur diverses voies de fabrication additive et d’une compréhension approfondie du traitement photonique applique à une grande variété de matériaux. Ces résultats seront sans aucun doute précieux pour le développement futur de dispositifs optoélectroniques flexibles et performants, contribuant ainsi à l’avancement des connaissances scientifiques dans le domaine du traitement des matériaux en électronique imprimée.

Les résultats de projets de recherche supplémentaires sont également présentés dans le cadre de cette thèse. Tout d’abord, les travaux réalisés avec des nanocristaux de plombsoufre chalcogenides, comprenant la maitrise de la synthèse de points quantiques de PbS pour le contrôle de la taille et la caractérisation de leurs propriétés optiques. Ces derniers ont été utilisés dans des assemblages de points quantiques en utilisant un échange de ligands pour construire des photodétecteurs et une cellule solaire sensibilisée par des points quantiques fabriquée avec du TiO2. Le facteur de remplissage de ce dispositif a été amélioré par l’ajout de nanotubes de carbone a parois multiples facilitant l’extraction de charges. Deuxièmement, un projet industriel visant à comprendre et à optimiser la fabrication d’encres à base de graphène pour la sérigraphie, réalisées avec un graphène de qualité industrielle. Ce projet a nécessité la compréhension des propriétés des materiaux à base de graphène par une analyse approfondie de ses caractéristiques Raman, et comment le matériau réagit à différentes techniques de post-traitement pour créer des encres de sérigraphie.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 167-201).
Mots-clés libres:	nanofils d’argent, frittage photonique, frittage laser direct, films minces, substrats flexibles, points quantiques, graphène, PbS
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cloutier, Sylvain G.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 août 2024 16:09
Dernière modification:	01 août 2024 16:09
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3481

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