Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων χημικά τροποποιημένων νανοδομών άνθρακα και των υβριδίων τους: εφαρμογές σε τεχνικές εκτύπωσης

Abstract

The emergence of printed electronics last decade resulted to the replacement of the old fashioned and conventional solid-state technology by conductive inks combined with common printing methods. Carbon nanomaterials, such as graphene and multiwall carbon nanotubes, are the ideal candidates to produce graphene inks suitable for common printing methods due to their electrical conductivity which is one of the most interesting properties of them. In this direction, the carbon nanomaterials have been proposed for the replacement of metal conductors and indium (fluoride) oxide. However, carbon nanomaterials do not disperse in organic solvents or water. Thus, the chemical functionalization (covalent/non-covalent) of them with functional groups, surfactants or polymers is the most important step to overcome this obstacle. Moreover, it leads to the formation of wide range of organic derivatives, hybrids, and nanocomposites due to their solution processability and compatibility with polymers for a wide range of applications in technology nowadays. The present phD thesis evaluates the combination of graphene and chemically functionalized carbon nanotubes forming a hybrid with the aim of its dispersion in water with enhanced conductivity. Van der Waals forces developing between the hydrophobic graphene surfaces and the partially hydrophobic nanotubes have as a result the stabilization of the hybrid in polar solvents and even more significantly in water. The electrical conductivity of the individual materials results to the increased conductivity of the hybrid totally. Both intermediate and final products characterized by a variety of experimental techniques (XRD, FTIR, ATR, Raman, UV-Vis, XPS, SEM, AFM, HRTEM) while most of the electrical measurements were made with the method of measuring 4-point electrical resistance. In conclusion, the hydrophilic graphene / carbon nanotubes hybrids that they occur in this phD used in combination with necessary resins to make conductive inks for their use in gravure and screen printing or flexography, where their printing and electric properties are studied before and after printing process.

Η εμφάνιση των εύκαμπτων ηλεκτρονικών την περασμένη δεκαετία είχε ως αποτέλεσμα την αντικατάσταση της συμβατικής τεχνολογίας παραγωγής ηλεκτρονικών από τα αγώγιμα μελάνια σε συνδυασμό με κοινές μεθόδους εκτύπωσης. Τα νανοϋλικά του άνθρακα όπως το γραφένιο και οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι οι κατάλληλοι υποψήφιοι για την παραγωγή αγώγιμων μελανιών και τη χρήση τους σε κοινές μεθόδους εκτύπωσης λόγω της ηλεκτρικής αγωγιμότητάς που παρουσιάζουν. Προς αυτή τη κατεύθυνση, τα νανοϋλικά του άνθρακα έχουν προταθεί για την αντικατάσταση μεταλλικών αγωγών και του οξειδίου του ινδίου (φθοριούχου) κασσιτέρου. Ωστόσο, τα νανοϋλικά άνθρακα δεν διασπείρονται σε οργανικούς διαλύτες ή το νερό. Για το λόγο αυτό, η χημική τροποποίηση τους (ομοιοπολικά / μη ομοιοπολικά ) με συγκεκριμένες λειτουργικές ομάδες, επιφανειοδραστικές ουσίες ή πολυμερή είναι το πιο ουσιαστικό βήμα για τη διασπορά τους σε οργανικούς διαλύτες ή ακόμα και στο νερό. Η χημική τροποποίηση των νανοϋλικών του άνθρακα έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό ποικιλίας οργανικών παραγώγων, υβριδίων και νανοσυνθέτων για πληθώρα εφαρμογών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αξιολογεί τον συνδυασμό του γραφενίου με χημικά τροποποιημένους νανοσωλήνες άνθρακα με τη μορφή υβριδίου με στόχο τη διασπορά στο νερό αλλά και την ενίσχυση της αγωγιμότητας. Οι δυνάμεις Van der Waals που αναπτύσσονται μεταξύ των υδρόφοβων γραφενικών επιφανειών και των κατά τόπους υδρόφοβων νανοσωλήνων σταθεροποιούν το υβρίδιο σε πολικούς διαλύτες αλλά ακόμη πιο σημαντικά στο νερό. H ηλεκτρική αγωγιμότητα των επιμέρους υλικών έχει σαν αποτέλεσμα την επαυξημένη αγωγιμότητα και του τελικού υβριδίου. Τα προϊόντα ενδιάμεσα και τελικά χαρακτηρίστηκαν με διάφορες πειραματικές τεχνικές (XRD, FTIR, ATR, Raman, UV-Vis, XPS, SEM, AFM, HRTEM) ενώ οι περισσότερες ηλεκτρικές μετρήσεις έγιναν με τη μέθοδο μέτρησης ηλεκτρικής αντίστασης 4 σημείων. Τέλος, τα υδρόφιλα υβρίδια γραφενίου/νανοσωλήνων που προκύπτουν χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τις απαραίτητες ρητίνες, για τη παρασκευή αγώγιμων μελανιών σε τεχνικές εκτύπωσης, όπως η βαθυτυπία, η φλεξογραφία και η μεταξοτυπία, όπου η εκτυπωτική και η ηλεκτρική τους απόδοση μελετώνται πριν και μετά τη διαδικασία εκτύπωσης.