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The Study of Chemically Cross-Linked Ion Gels for Electronic Devices

Jeong, Jaehoon (2020):
The Study of Chemically Cross-Linked Ion Gels for Electronic Devices. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.25534/tuprints-00014637,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: The Study of Chemically Cross-Linked Ion Gels for Electronic Devices
Language: English
Abstract:

This thesis presents the development of new chemically cross-linked (CC) ion gels and their application in electronic devices. The CC ion gels are synthesized by a hitherto unreported and novel method using self-assembled gelation; this method allows for a straightforward synthesis without complicated procedures. The CC ion gels have excellent ionic conductivities and can exhibit high capacitances through the formation of electric double layers. These CC ion gels are applied to electrolyte-gated transistors (EGTs) in the field of printed electronics. In particular, they are applied as gate insulators, which separate the semiconducting channel from the gate electrode. They simultaneously act as mediating materials for electric double layer formation, to switch the channel on and off upon an applied bias potential between source and gate electrode. Two different ion gels are utilized for the fabrication of gate insulators, making use of a self-assembled gelation of a CC ion gel, combined with ink-jet printing, which is an effective technique to fabricate gate insulators of EGTs. The ink-jet printing process involves the development of an ink-jet printable ink to prevent nozzle clogging. The optimized amount of solvent in that ink plays an essential role in inhibiting the gelation before printing. The self-assembled gelation starts upon solvent evaporation after printing, and the CC ion gel is spontaneously synthesized on the semiconductor. In a subsequent approach, adhesive properties are added to the CC ion gel to enable hand laminating of electrodes or semiconductors. The CC ion gels fabricated by both methods exhibit remarkable gating performances in EGTs. In particular, they mitigate the drawback of the major humidity sensitivity of the common composite solid polymer electrolytes (CSPE), and show stable transfer curves in the range of 20 % to 90 % relative humidity. The presented results enable for the first time ink-jet printing of CC ion gels. Moreover, the presented CC ion gels demonstrate great potential as gate insulators for EGTs. New findings about synthesis, analysis, and utilization of the CC ion gel suggest new directions for the development and application of advanced CC ion gels in the future.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Arbeit wird die Entwicklung neuer chemisch vernetzter (CC) Ionengele und ihre Anwendung in elektronischen Bauteilen vorgestellt. Die CC-Ionengele werden nach einem, in dieser Arbeit entwickelten, neuartigem Verfahren synthetisiert, welche sich eine selbstorganisierte Gelierung zu Nutze macht. Diese Methode ermöglicht eine einfache Synthese ohne komplizierte Verfahrensschritte. Die CC-Ionengele weisen ausgezeichnete Ionenleitfähigkeiten auf und können durch die Bildung elektrischer Doppelschichten hohe Kapazitäten in den entsprechenden elektronischen Bauteilen aufweisen. Die CC-Ionengele werden in dieser Arbeit für Transistoren mit Elektrolytgating (EGTs) im Bereich der gedruckten Elektronik genutzt. Hierbei dienen sie als Gate-Isolatoren, die den Halbleiterkanal von der Gate-Elektrode trennen. Gleichzeitig unterstützen sie die Bildung einer elektrischen Doppelschicht, um den Halbleiterkanal bei einem angelegten Potential zwischen Source- und Gate-Elektrode leitfähig bzw. isolierend werden zu lassen. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Ionengele zur Herstellung von Gate-Isolatoren verwendet, wobei die selbstorganisierte Gelierung der Ionengele die Anwendung der Materialien für Tintenstrahldruckprozesse ermöglicht. Hierfür mussten die Eigenschaften der CC-Ionengel-Tinten maßgeschneidert werden, damit ein Verstopfen der Düse verhindert werde konnte. Die optimierte Menge an Lösungsmittel in dieser Tinte spielt eine wesentliche Rolle bei der Hemmung des Gelierprozesses, so dass eine Tinte mit niedriger Viskosität für den Druckprozess erzeugt werden kann. Die selbstorganisierte Gelierung beginnt mit dem Verdampfen des Lösungsmittels nach dem Drucken und das CC-Ionengel wird erst auf dem Substrat gebildet. In einem nachfolgenden Ansatz werden dem CC-Ionengel adhäsive Eigenschaften hinzugefügt, um das Handlaminieren von Elektroden oder Halbleitern zu ermöglichen. Beide hergestellten CC-Ionengele zeigen bemerkenswerte elektrische Leistungskennzahlen. Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil des CC-Ionengel-Gatings ist die Unempfindlichkeit gegenüber Luftfeuchtigkeit. Durch dieses Konzept konnte das Problem der stark schwankenden Leistung von standard-Polymerelektrolyt gegateten Transistoren bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten gelöst und eine Anwendung gedruckter Transistoren bei Umgebungsbedingungen ermöglicht werden. Zusammengefasst ermöglichen die vorgestellten Ergebnisse erstmals den Tintenstrahldruck von CC-Ionengelen. Darüber hinaus zeigen die vorgestellten CC-Ionengele ein großes Potenzial als Gate-Isolatoren für Elektrolyt gegatete Transistoren. Diese neuen Erkenntnisse zur Synthese, Analyse und Verwendung des CC-Ionengels, eröffnen neue Anwendungsmöglichkeiten und Entwicklungen für fortschrittliche CC-Ionengele.German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: iv, 108 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Joint Research Laboratory Nanomaterials
Date Deposited: 11 Dec 2020 14:36
Last Modified: 11 Dec 2020 14:36
DOI: 10.25534/tuprints-00014637
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-146372
Referees: Hahn, Prof. Dr. Horst and Lemmer, Prof. Dr. Uli
Refereed: 5 November 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14637
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  • The Study of Chemically Cross-Linked Ion Gels for Electronic Devices. (deposited 11 Dec 2020 14:36) [Currently Displayed]
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