Synthesis and photovoltaic performance of a fluorene-bithiophene copolymer

We present the synthesis of a copolymer structure, poly(9,9′-n-di-hexyl-2,7-fluorene-alt-2,5- bithiophene), referred to herein as LaPPS43, and its physico-chemical characterization. Thin films of this polymer mixed with phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) were used as the active layer in photovoltaic devices using the ITO/PEDOT:PSS/LaPPS43: PCBM/Ca/Al bulk heterojunction structure. The devices of different active layer thicknesses were electrically studied using J-V curves and the Photo-Celiv technique. The obtained results show that LaPPS43 combined with PCBM is a promising system for photovoltaic devices. Device performance is discussed in terms of the mean drift distance x for charge carriers. Photophysical data showed that the excitonic species are all localized in the aggregated forms. The mechanism of exciton formation and dissociation is also discussed.

Ion implantation of organic thin films and electronic devices

Organic semiconductors have great promise in the field of electronics due to their low cost in term of fabrication on large areas and their versatility to new devices, for these reasons they are becoming a great chance in the actual technologic scenery. Some of the most important open issues related to these materials are the effects of surfaces and interfaces between semiconductor and metals, the changes caused by different deposition methods and temperature, the difficulty related to the charge transport modeling and finally a fast aging with time, bias, air and light, that can change the properties very easily. In order to find out some important features of organic semiconductors I fabricated Organic Field Effect Transistors (OFETs), using them as characterization tools. The focus of my research is to investigate the effects of ion implantation on organic semiconductors and on OFETs. Ion implantation is a technique widely used on inorganic semiconductors to modify their electrical properties through the controlled introduction of foreign atomic species in the semiconductor matrix. I pointed my attention on three major novel and interesting effects, that I observed for the first time following ion implantation of OFETs: 1) modification of the electrical conductivity; 2) introduction of stable charged species, electrically active with organic thin films; 3) stabilization of transport parameters (mobility and threshold voltage). I examined 3 different semiconductors: Pentacene, a small molecule constituted by 5 aromatic rings, Pentacene-TIPS, a more complex by-product of the first one, and finally an organic material called Pedot PSS, that belongs to the branch of the conductive polymers. My research started with the analysis of ion implantation of Pentacene films and Pentacene OFETs. Then, I studied totally inkjet printed OFETs made of Pentacene-TIPS or PEDOT-PSS, and the research will continue with the ion implantation on these promising organic devices.

Polimeri biocompatibili come substrati per colture cellulari

Questo lavoro costituisce un'interfaccia tra la fisica dei materiali e la biologia; sfruttando le particolari proprietà del polimero conduttore poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con poli(stirene sulfonato) (PSS), o PEDOT:PSS, sono stati sviluppati e realizzati substrati per colture cellulari. Tale composto è infatti un polimero organico biocompatibile, caratterizzato da proprietà fisiche che ben si prestano ad applicazioni in campo biologico. Vengono inizialmente descritte le caratteristiche generali e gli schemi di classificazione dei polimeri, per analizzare quindi in dettaglio i polimeri conduttori e la loro modalità di drogaggio. Si presenta quindi il PEDOT:PSS, del quale vengono descritte le proprietà, in particolare ci si sofferma sulle quelle termiche, meccaniche ed elettriche. Il primo capitolo si conclude con la presentazione delle applicazioni bioelettroniche del PEDOT:PSS, illustrando le principali applicazioni nella ricerca biologica e descrivendo le caratteristiche che ne hanno fatto uno dei composti più utilizzati per questo tipo di applicazioni. Nel secondo capitolo, per la parte sperimentale, sono stati descritti approfonditamente gli strumenti e i materiali utilizzati; in particolare vengono spiegati dettagliatamente il procedimento di spin-coating per la produzione di film sottili e le tecniche AFM (Atomic Force Microscopy) per l'analisi della morfologia superficiale. Nel terzo capitolo vengono esposte le tecniche sperimentali impiegate: è stata sviluppata una procedura di produzione ripetibile, grazie alla quale sono stati realizzati dei campioni, per i quali poi è stata misurata la rugosità. I risultati conseguiti sono stati infine correlati con l'analisi della proliferazione cellulare, illustrata chiaramente dalle immagini ottenute al microscopio ottico, che rivelano l'adesione e la moltiplicazione cellulare sui substrati di PEDOT:PSS.

Nanoscopic studies of conjugated polymer blends by (electric) scanning probe microscopy

Conjugated polymers and conjugated polymer blends have attracted great interest due to their potential applications in biosensors and organic electronics. The sub-100 nm morphology of these materials is known to heavily influence their electromechanical properties and the performance of devices they are part of. Electromechanical properties include charge injection, transport, recombination, and trapping, the phase behavior and the mechanical robustness of polymers and blends. Electrical scanning probe microscopy techniques are ideal tools to measure simultaneously electric (conductivity and surface potential) and dielectric (dielectric constant) properties, surface morphology, and mechanical properties of thin films of conjugated polymers and their blends.rnIn this thesis, I first present a combined topography, Kelvin probe force microscopy (KPFM), and scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) study on a gold/polystyrene model system. This system is a mimic for conjugated polymer blends where conductive domains (gold nanoparticles) are embedded in a non-conductive matrix (polystyrene film), like for polypyrrole:polystyrene sulfonate (PPy:PSS), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). I controlled the nanoscale morphology of the model by varying the distribution of gold nanoparticles in the polystyrene films. I studied the influence of different morphologies on the surface potential measured by KPFM and on the conductivity measured by SCTMM. By the knowledge I gained from analyzing the data of the model system I was able to predict the nanostructure of a homemade PPy:PSS blend.rnThe morphologic, electric, and dielectric properties of water based conjugated polymer blends, e.g. PPy:PSS or PEDOT:PSS, are known to be influenced by their water content. These properties also influence the macroscopic performance when the polymer blends are employed in a device. In the second part I therefore present an in situ humidity-dependence study on PPy:PSS films spin-coated and drop-coated on hydrophobic highly ordered pyrolytic graphite substrates by KPFM. I additionally used a particular KPFM mode that detects the second harmonic electrostatic force. With this, I obtained images of dielectric constants of samples. Upon increasing relative humidity, the surface morphology and composition of the films changed. I also observed that relative humidity affected thermally unannealed and annealed PPy:PSS films differently. rnThe conductivity of a conjugated polymer may change once it is embedded in a non-conductive matrix, like for PPy embedded in PSS. To measure the conductivity of single conjugated polymer particles, in the third part, I present a direct method based on microscopic four-point probes. I started with metal core-shell and metal bulk particles as models, and measured their conductivities. The study could be extended to measure conductivity of single PPy particles (core-shell and bulk) with a diameter of a few micrometers.

Studio di transistor elettrochimici e loro applicazioni

In questa tesi, utilizzando le particolari proprietà del polimero conduttivo poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con polistirene sulfonato , o PEDOT:PSS, sono stati realizzati dei transistor elettrochimici organici (OECTs), in cui il gate e canale source-drain sono stati realizzati depositando su substrato di vetro film sottili di questo polimero. I dispositivi realizzati sono stati caratterizzati, per comprenderne meglio le funzionalità e le proprietà per possibili applicazioni future, in particolare come sensori di glucosio. Il PEDOT:PSS è uno dei materiali più studiati per applicazioni della bioelettronica in virtù della sua grande stabilità chimica e termica, della reversibilità del suo processo di drogaggio, della grande conducibilità e delle sue proprietà elettrochimiche, nonché della sua attività in un vasto range di pH. Vengono trattate nell’elaborato anche le tecniche di deposizione di questo polimero per la creazione di film sottili, necessari per le varie applicazioni nell’ambito della bioelettronica organica, la quale si propone di unire la biologia e l’elettronica in un mutuale scambio di informazioni e segnali. Questa interazione si sta verificando soprattutto nel campo sanitario, come si può evincere dagli esempi riportati nella trattazione. Si conclude la parte teorica con una descrizione degli OECTs: viene spiegata la loro struttura, la capacità di connettere conducibilità ionica ed elettronica e il loro funzionamento, inserendo anche un confronto con i FET (“Field Effect Transistor”), per agevolare la comprensione dei meccanismi presenti in questi strumenti. Per la parte sperimentale si presenta invece una descrizione dettagliata dei procedimenti, degli strumenti e degli accorgimenti usati nel fabbricare i transistor sui quali si è lavorato in laboratorio, riportando anche una piccola esposizione sulle principali misure effettuate: curve caratterische I–V, transcaratteristiche e misure di corrente nel tempo sono le principali acquisizioni fatte per studiare i dispositivi. E’ stata studiata la diversa risposta degli OECTs al variare della concentrazione di PBS in soluzione, mostrando un generale rallentamento dei processi e una diminuzione della capacità di modificare la corrente source-drain al calare della concentrazione. In seguito, è stato effettuato un confronto tra transistor appena fatti e gli stessi analizzati dopo un mese, osservando una riduzione della corrente e quindi della conducibilità, seppur senza una modifica qualitativa delle curve caratteristiche (che mantengono il loro andamento). Per quanto riguarda la possibilità di usare questi dispositivi come sensori di glucosio, si introduce uno studio preliminare sulla risposta di un transistor, il cui gate è stato funzionalizzato con ferrocene, alla presenza di glucosio e glucosio ossidasi, un enzima necessario al trasferimento di elettroni, nella soluzione elettrolitica, seppur con qualche difficoltà, per via della mancanza di informazioni sui parametri da utilizzare e il range in cui compiere le misure (tuttora oggetto di ricerca).

Proprietà elettriche di cellule interagenti con matrici polimeriche biocompatibili

L'utilizzo di polimeri organici coniugati in dispositivi elettronici per applicazioni biologiche, grazie alle loro proprietà meccaniche ed elettriche, insieme alla loro biocompatibilità, è un campo di ricerca relativamente nuovo e in rapida espansione. In questo lavoro di tesi si utilizza la tecnica del Voltage Clamp in configurazione whole cell per caratterizzare le proprietà elettrofisiologiche della linea cellulare di glioblastoma multiforme (T98G) e per registrare le correnti ioniche di cellule adese su una matrice polimerica biocompatibile di poli(etilenediossitiofene)-poli(stirenesulfonato) (PEDOT:PSS). La tecnica consiste nel bloccare il potenziale di membrana al valore desiderato, secondo un preciso protocollo di stimolazione, misurando la corrente necessaria per mantenere costante il potenziale presente tra le due superfici della membrana cellulare. Nella prima parte del lavoro le cellule sono state perfuse con farmaci inibitori dei canali potassio, prima con il bloccante non specifico tetraetilammonio (TEA), e poi selettivamente tramite bloccanti specifici come iberiotossina e dendrotossina. Il 44% circa delle cellule ha evidenziato una significativa corrente residua riconducibile all'attività dei canali ionici voltaggio-dipendenti Kv1.2. Al contrario nelle cellule restanti questi canali non sono espressi. Successivamente, sempre utilizzando le T98G, si è analizzato come lo stato di ossido-riduzione del polimero coniugato PEDOT:PSS possa influenzare le correnti dei canali ionici di membrana; è emerso che il substrato di PEDOT:PSS ridotto provoca una diminuzione significativa della corrente registrata rispetto al substrato di controllo (petri in polistirene). Questi risultati sono stati confrontati con le curve di proliferazione delle cellule T98G coltivate per 24h, 48h e 72h sui diversi substrati considerati, evidenziando interessanti correlazioni nel caso del substrato PEDOT:PSS ridotto.

Bioelettronica organica: Nuovi approcci tecnologici per la stimolazione e la rilevazione della comunicazione di cellule neuronali.

Il campo della Bioelettronica si è sviluppato a partire dal 18 secolo con l’ esperimento di Luigi Galvani che, applicando uno stimolo elettrico ai muscoli di una rana dissezionata, ne osservò il movimento. Da questo esperimento si è aperta la strada che ha portato ad oggi ad un grande sviluppo tecnologico nella realizzazione di dispositivi elettronici che permettono di offrire un miglioramento generale delle condizioni di vita. Come spesso accade con le tecnologie emergenti, i materiali sono la maggiore limitazione nello sviluppo di nuove applicazioni. Questo è certamente il caso della Bioelettronica. I materiali elettronici organici, nella forma di polimeri conduttivi, hanno mostrato di poter dotare gli strumenti elettronici di grandi vantaggi rispetto a quelli tradizionali a base di silicio, in virtù delle loro proprietà meccaniche ed elettroniche, della loro biocompatibilità e dei bassi costi di produzione. E’ da questi studi che nasce più propriamente il campo della Bioelettronica Organica, che si basa sulla applicazione di semiconduttori a base di carbonio in forma di piccole molecole coniugate e di polimeri, e del loro utilizzo nei dispositivi elettronici. Con il termine di ‘Bioelettronica organica’, quindi, si descrive l’accoppiamento tra dispositivi elettronici organici e il mondo biologico, accoppiamento che si sviluppa in due direzioni: da un lato una reazione o un processo biologico può trasferire un segnale ad un dispositivo elettronico organico, dall’altro un dispositivo elettronico organico può avviare un processo biologico.

Study of interaction between Si(O,C) nanowires and the biological system

Nanomedicine is a new branch of medicine, based on the potentiality and intrinsic properties of nanomaterials. Indeed, the nanomaterials ( i.e. the materials with nano and under micron size) can be suitable to different applications in biomedicine. The nanostructures can be used by taking advantage of their properties (for example superparamagnetic nanoparticles) or functionalized to deliver the drug in a specific target, thanks the ability to cross biological barriers. The size and the shape of 1D-nanostructures (nanotubes and nanowires) have an important role on the cell fate: their morphology plays a key role on the interaction between nanostructure and the biological system. For this reason the 1D nanostructure are interesting for their ability to mime the biological system. An implantable material or device must therefore integrate with the surrounding extracellular matrix (ECM), a complex network of proteins with structural and signaling properties. Innovative techniques allow the generation of complex surface patterns that can resemble the structure of the ECM, such as 1D nanostructures. NWs based on cubic silicon carbide (3C-SiC), either bare (3C-SiC NWs) or surrounded by an amorphous shell (3C-SiC/SiO2 core/shell NWs), and silicon oxycarbide nanowires (SiOxCy NWs) can meet the chemical, mechanical and electrical requirements for tissue engineering and have a strong potential to pave the way for the development of a novel generation of implantable nano-devices. Silicon oxycarbide shows promising physical and chemical properties as elastic modulus, bending strength and hardness, chemical durability superior to conventional silicate glasses in aggressive environments and high temperature stability up to 1300 °C. Moreover, it can easily be engineered through functionalization and decoration with macro-molecules and nanoparticles. Silicon carbide has been extensively studied for applications in harsh conditions, as chemical environment, high electric field and high and low temperature, owing to its high hardness, high thermal conductivity, chemical inertness and high electron mobility. Also, its cubic polytype (3C) is highly biocompatible and hemocompatible, and some prototypes of biomedical applications and biomedical devices have been already realized starting from 3C-SiC thin films. Cubic SiC-based NWs can be used as a biomimetic biomaterial, providing a robust and novel biocompatible biological interface . We cultured in vitro A549 human lung adenocarcinoma epithelial cells and L929 murine fibroblast cells over core/shell SiC/SiO2, SiOxCy and bare 3C-SiC nanowire platforms, and analysed the cytotoxicity, by indirect and direct contact tests, the cell adhesion, and the cell proliferation. These studies showed that all the nanowires are biocompatible according to ISO 10993 standards. We evaluated the blood compatibility through the interaction of the nanowires with platelet rich plasma. The adhesion and activation of platelets on the nanowire bundles, assessed via SEM imaging and soluble P-selectin quantification, indicated that a higher platelet activation is induced by the core/shell structures compared to the bare ones. Further, platelet activation is higher with 3C-SiC/SiO2 NWs and SiOxCyNWs, which therefore appear suitable in view of possible tissue regeneration. On the contrary, bare 3C-SiC NWs show a lower platelet activation and are therefore promising in view of implantable bioelectronics devices, as cardiovascular implantable devices. The NWs properties are suitable to allow the design of a novel subretinal Micro Device (MD). This devices is based on Si NWs and PEDOT:PSS, though the well know principle of the hybrid ordered bulk heterojunction (OBHJ). The aim is to develop a device based on a well-established photovoltaic technology and to adapt this know-how to the prosthetic field. The hybrid OBHJ allows to form a radial p–n junction on a nanowire/organic structure. In addition, the nanowires increase the light absorption by means of light scattering effects: a nanowires based p-n junction increases the light absorption up to the 80%, as previously demonstrated, overcoming the Shockley-Queisser limit of 30 % of a bulk p-n junction. Another interesting employment of these NWs is to design of a SiC based epicardial-interacting patch based on teflon that include SiC nanowires. . Such contact patch can bridge the electric conduction across the cardiac infarct as nanowires can ‘sense’ the direction of the wavefront propagation on the survival cardiac tissue and transmit it to the downstream surivived regions without discontinuity. The SiC NWs are tested in terms of toxicology, biocompatibility and conductance among cardiomyocytes and myofibroblasts.

Identification of the degradation mechanisms of organic solar cells:active layer and interfacial layers

Organic Solar Cells (OSCs) represent a photovoltaic technology with multiple interesting application properties. However, the establishment of this technology into the market is subject to the achievement of operational lifetimes appropriate to their application purposes. Thus, comprehensive understanding of the degradation mechanisms occurring in OSCs is mandatory in both selecting more intrinsically stable components and/or device architectures and implementing strategies that mitigate the encountered stability issues. Inverted devices can suffer from mechanical stress and delamination at the interface between the active layer, e.g. poly(3-hexylthiophene):[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (P3HT:PCBM), and the hole transport layer, e.g. poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(p-styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). This work proposes the incorporation of a thin adhesive interlayer, consisting of a diblock copolymer composed of a P3HT block and a thermally-triggerable, alkyl-protected PSS block. In this context, the synthesis of poly(neopentyl p-styrene sulfonate) (PNSS) with controlled molar mass and low dispersity (Ð ≤ 1.50) via Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer (RAFT) polymerisation has been extensively studied. Subsequently, Atomic Force Microscopy (AFM) was explored to characterise the thermal deprotection of P3HT-b-PNSS thin layers to yield amphiphilic P3HT-b-PSS, indicating that surface deprotection prior to thermal treatment could occur. Finally, structural variation of the alkyl protecting group in PSS allowed reducing the thermal treatment duration from 3 hours (P3HT-b-PNSS) to 45 minutes for the poly(isobutyl p-styrene sulfonate) (PiBSS) analogous copolymer. Another critical issue regarding the stability of OSCs is the sunlight-driven chemical degradation of the active layer. In the study herein, the combination of experimental techniques and theoretical calculations has allowed identification of the structural weaknesses of poly[(4,4’- bis(2-ethylhexyl) dithieno [3,2-b:2’,3’-d]silole)-2,6-diyl-alt-(4,7-bis(2-thienyl)-2,1,3-benzothiadiazole)-5,5’-diyl], Si-PCPDTBT, upon photochemical treatment in air. Additionally, the study of the relative photodegradation rates in air of a series of polymers with systematically modified backbones and/or alkyl side chains has shown no direct correlation between chemical structure and stability. It is proposed instead that photostability is highly dependent on the crystalline character of the deposited films. Furthermore, it was verified that photostability of blends based on these polymers is dictated by the (de)stabilising effect that [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) has over each polymer. Finally, a multiscale analysis on the degradation of solar cells based on poly[4,4' bis(2- ethylhexyl) dithieno[3,2-b:2',3'-d]silole)-2,6-diyl-alt-[2,5 bis(3 tetradecylthiophen 2-yl)thiazole[5,4-d]thiazole)-1,8-diyl] and PCBM, indicated that by judicious selection of device layers, architectures, and encapsulation materials, operational lifetimes up to 3.3 years with no efficiency losses can be successfully achieved.

Flexible Sensor for Wearable Vital Sign Monitoring System

In modern society, the body health is a very important issue to everyone. With the development of the science and technology, the new and developed body health monitoring device and technology will play the key role in the daily medical activities. This paper focus on making progress in the design of the wearable vital sign system. A vital sign monitoring system has been proposed and designed. The whole detection system is composed of signal collecting subsystem, signal processing subsystem, short-range wireless communication subsystem and user interface subsystem. The signal collecting subsystem is composed of light source and photo diode, after emiting light of two different wavelength, the photo diode collects the light signal reflected by human body tissue. The signal processing subsystem is based on the analog front end AFE4490 and peripheral circuits, the collected analog signal would be filtered and converted into digital signal in this stage. After a series of processing, the signal would be transmitted to the short-range wireless communication subsystem through SPI, this subsystem is mainly based on Bluetooth 4.0 protocol and ultra-low power System on Chip(SoC) nRF51822. Finally, the signal would be transmitted to the user end. After proposing and building the system, this paper focus on the research of the key component in the system, that is, the photo detector. Based on the study of the perovskite materials, a low temperature processed photo detector has been proposed, designed and researched. The device is made up of light absorbing layer, electron transporting and hole blocking layer, hole transporting and electron blocking layer, conductive substrate layer and metal electrode layer. The light absorbing layer is the important part of whole device, and it is fabricated by perovskite materials. After accepting the light, the electron-hole pair would be produced in this layer, and due to the energy level difference, the electron and hole produced would be transmitted to metal electrode and conductive substrate electrode through electron transporting layer and hole transporting layer respectively. In this way the response current would be produced. Based on this structure, the specific fabrication procedure including substrate cleaning; PEDOT:PSS layer preparation; pervoskite layer preparation; PCBM layer preparation; C60, BCP, and Ag electrode layer preparation. After the device fabrication, a series of morphological characterization and performance testing has been done. The testing procedure including film-forming quality inspection, response current and light wavelength analysis, linearity and response time and other optical and electrical properties testing. The testing result shows that the membrane has been fabricated uniformly; the device can produce obvious response current to the incident light with the wavelength from 350nm to 800nm, and the response current could be changed along with the light wavelength. When the light wavelength keeps constant, there exists a good linear relationship between the intensity of the response current and the power of the incident light, based on which the device could be used as the photo detector to collect the light information. During the changing period of the light signal, the response time of the device is several microseconds, which is acceptable working as a photo detector in our system. The testing results show that the device has good electronic and optical properties, and the fabrication procedure is also repeatable, the properties of the devices has good uniformity, which illustrates the fabrication method and procedure could be used to build the photo detector in our wearable system. Based on a series of testing results, the paper has drawn the conclusion that the photo detector fabricated could be integrated on the flexible substrate and is also suitable for the monitoring system proposed, thus made some progress on the research of the wearable monitoring system and device. Finally, some future prospect in system design aspect and device design and fabrication aspect are proposed.

Caratterizzazione di bioelettrodi elastici a polimero semiconduttore nano-strutturato

Nell'ambito della medicina bioelettronica vi è un grande interesse nello sviluppo di bioelettrodi elastici ad interfaccia nanostrutturata per la rilevazione dei segnali elettrici del sistema nervoso. Uno dei materiali organici più performanti è il polimero conduttivo 3,4-polietilenediossitiofene (PEDOT), drogato col polianione polistirene sulfonato (PSS) a formare il PEDOT:PSS nanocomposito. Questo composto tende però a perdere le proprietà elettrochimiche di partenza quando sottoposto a stress meccanico. Per ottenere una caratterizzazione del materiale è stata esaminata la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) come funzione della frequenza temporale di alcuni elettrodi d' oro rivestiti di PEDOT:PSS elettrodepositato, utilizzando dei substrati microfabbricati. Sono stati inoltre eseguiti confronti con bioelettrodi PEDOT:PSS con l'aggiunta di glicole polietilenico (PEG) in fase di deposizione elettrochimica, un plastificante che migliora le proprietà elastiche dei bioelettrodi. Al fine di ottenere una caratterizzazione topologica dei dispositivi, si è fatto uso di un Microscopio a Forza Atomica (AFM). Infine, è stata elaborata una metodologia per caratterizzare i dispositivi sotto l'azione di uno stress meccanico molto ricorrente nelle applicazioni mediche. Si è constato che gli spettri di impedenza dei bioelettrodi possono essere ragionevolmente descritti da un circuito equivalente formato da una resistenza in serie ad una capacità. I parametri ricavati tramite questo modello sembrano suggerire inoltre un'analogia quantitativa nel comportamento del PEDOT:PSS e del PEDOT:PSS:PEG.

Sviluppo di un sensore elettrochimico modificato per la determinazione quantitativa di ammoniaca in fase gassosa

Oggigiorno, a causa dell’aumento delle emissioni gassose di ammoniaca, occorre far fronte alla necessità di salvaguardare l’ambiente e la salute degli esseri viventi. A tale scopo, stanno acquisendo sempre più interesse dispositivi portatili che forniscano quantificazioni accurate. Grazie alle interessanti prestazioni esibite dai transistor elettrochimici organici (OECTs) a base di PEDOT:PSS, per la quantificazione di analiti in ambiente acquoso, nasce l’idea di realizzare un sensore elettrochimico ad essi ispirato e in grado di effettuare determinazioni in fase gas. Si vuole realizzare una tipologia di sensore a due terminali che unisca l’elettronica di lettura semplificata, l’amplificazione del segnale e il basso apporto di energia necessario garantito dagli OECTs, ad una geometria adeguata anche per applicazioni non convenzionali. Tale dispositivo viene modificato tramite elettrodeposizione di particelle di IrO2 per rendere il canale polimerico sensibile alle variazioni di pH e sottoposto a dip coating in un idrogel semi-solido per garantire la presenza di un’interfaccia efficace tra il materiale sensibile e l’aria circostante in cui si vuole quantificare ammoniaca. Questo lavoro di tesi ha comportato una prima fase di progettazione del sensore, dove vengono valutati i parametri di deposizione e caratterizzazione delle particelle sintetizzate e del materiale composito finale, la corretta formulazione del substrato gel per un’interfaccia solido-gas efficace ed una seconda, dove l’attenzione è invece volta all’ottimizzazione della risposta elettrochimica e delle prestazioni del sensore, con particolare riguardo verso ripetibilità, riproducibilità delle misure, tempo di risposta e limite di rivelabilità. Al termine del lavoro si raggiunge l’ottimizzazione di un sensore elettrochimico a due terminali per la quantificazione di ammoniaca gassosa che, grazie alla sua geometria, si presta anche ad applicazioni wearable nel campo dei materiali intelligenti.

Charge accumulation and transport in degenerately doped semiconducting polymers with mixed ionic and electronic conductivity

This thesis is part of the fields of Material Physics and Organic Electronics and aims to determine the charge carrier density and mobility in the hydrated conducting polymer–polyelectrolyte blend PEDOT:PSS. This kind of material combines electronic semiconductor functionality with selective ionic transport, biocompatibility and electrochemical stability in water. This advantageous material properties combination makes PEDOT:PSS a unique material to build organic electrochemical transistors (OECTs), which have relevant application as amplifying transducers for bioelectronic signals. In order to measure charge carrier density and mobility, an innovative 4-wire, contact independent characterization technique was introduced, the electrolyte-gated van der Pauw (EgVDP) method, which was combined with electrochemical impedance spectroscopy. The technique was applied to macroscopic thin film samples and micro-structured PEDOT:PSS thin film devices fabricated using photolithography. The EgVDP method revealed to be effective for the measurements of holes’ mobility in hydrated PEDOT:PSS thin films, which resulted to be <μ>=(0.67±0.02) cm^2/(V*s). By comparing this result with 2-point-probe measurements, we found that contact resistance effects led to a mobility overestimation in the latter. Ion accumulation at the drain contact creates a gate-dependent potential barrier and is discussed as a probable reason for the overestimation in 2-point-probe measurements. The measured charge transport properties of PEDOT:PSS were analyzed in the framework of an extended drift-diffusion model. The extended model fits well also to the non-linear response in the transport characterization and results suggest a Gaussian DOS for PEDOT:PSS. The PEDOT:PSS-electrolyte interface capacitance resulted to be voltage-independent, confirming the hypothesis of its morphological origin, related to the separation between the electronic (PEDOT) and ionic (PSS) phases in the blend.

Intercalazione di grafene ossido in idrossidi doppi a strato per lo sviluppo di capacitori ibridi

In questo lavoro, sono state valutate le prestazioni di quattro tipi di LDH (Co/Al e Co/Fe entrambe con e senza GO nella soluzione di elettrodeposizione) per l'applicazione in stoccaggio di energia, andando a confrontare le capacità specifiche calcolate da voltammetrie cicliche e curve galvanostatiche di carica/scarica. I risultati di tali analisi hanno mostrato come l’LDH a base di Al sia più adatto all’applicazione di accumulo di energia, rispetto a quello con il Fe. Ulteriori caratterizzazioni, come l’XRD ed il SEM accoppiato con l'EDX, hanno confermato la maggior applicabilità dei LDH di Co/Al rispetto a quelli di Co/Fe, in quanto i primi presentano: una struttura più cristallina, una morfologia più uniforme ed un’intercalazione dell’ERGO migliore. Dopo la fase di scelta dell’LDH più performante ci si è dedicati alla caratterizzazione di un capacitore ibrido operante in fase liquida. Concluse le analisi, si è notato come l’ERGO porti all'aumento delle prestazioni del sistema (risultato in linea con quello riscontrato tramite lo studio degli LDH come componenti catodici singoli). Grazie allo studio delle performance a lungo termine è stato possibile verificare come l’ERGO aumenti la stabilità del sistema quando si sottopone quest’ultimo a stress protratto nel tempo. Successivamente, si è proseguito con lo studio di un capacitore ibrido operante in fase solida. Come nel caso del sistema in fase liquida, si è riscontrato un aumento di performance dovuto alla presenza di ERGO nella struttura finale degli LDH.

Smart Textile Sensors for Healthcare Monitoring

Wearable electronic textiles are an emerging research field playing a pivotal role among several different technological areas such as sensing, communication, clothing, health monitoring, information technology, and microsystems. The possibility to realise a fully-textile platform, endowed with various sensors directly realised with textile fibres and fabric, represents a new challenge for the entire research community. Among several high-performing materials, the intrinsically conductive poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), doped with poly(styrenesulfonic acid) (PSS), or PEDOT:PSS, is one of the most representative and utilised, having an excellent chemical and thermal stability, as well as reversible doping state and high conductivity. This work relies on PEDOT:PSS combined with sensible materials to design, realise, and develop textile chemical and physical sensors. In particular, chloride concentration and pH level sensors in human sweat for continuous monitoring of the wearer's hydration status and stress level are reported. Additionally, a prototype smart bandage detecting the moisture level and pH value of a bed wound to allow the remote monitoring of the healing process of severe and chronic wounds is described. Physical sensors used to monitor the pressure distribution for rehabilitation, workplace safety, or sport tracking are also presented together with a novel fully-textile device able to measure the incident X-ray dose for medical or security applications where thin, comfortable, and flexible features are essential. Finally, a proof-of-concept for an organic-inorganic textile thermoelectric generator that harvests energy directly from body heat has been proposed. Though further efforts must be dedicated to overcome issues such as durability, washability, power consumption, and large-scale production, the novel, versatile, and widely encompassing area of electronic textiles is a promising protagonist in the upcoming technological revolution.