Processing and Patterning of Conducting Polymer Films for Flexible, Stretchable and Healable Electronics

L'électronique flexible, étirable et autoréparante a le potentiel de redéfinir l'apparence, la conception et la fabrication des appareils électroniques ayant un impact sur l'électronique personnelle, la peau électronique et les soins de santé. Le développement de l'électronique flexible, étirable et autoréparante à des fins biologiques et médicales fait appel à la biocompatibilité et la transparence des matériaux électroniques adaptable. Parmi ces matériaux, les polymères organiques conducteurs présentent des opportunités uniques. La recherche sur les propriétés électroniques, chimiques et mécaniques des polymères organiques conducteurs permet d'assurer leur intégration dans les appareils électroniques adaptable. Cette thèse explore le traitement des polymères organiques conducteurs et le développement de nouvelles technologies de fabrication pour l'électronique flexible, étirable et autoréparante. Nous avons premièrement recherché les effets de plusieurs additifs sur les propriétés fondamentales du polymère conducteur poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonât (PEDOT:PSS). Nous avons démontré que les additifs jouent des rôles vitaux dans la détermination de la conductivité électronique de la couche mince, les propriétés mécaniques et la stabilité dans l'eau (essentielle aux applications biologiques). Nous avons trouvé que les couches minces déposées sur des substrats flexibles en plastiques ou sur des élastomères étirables démontrent une stabilité accrue dans l'eau en comparaison avec les couches minces sur des substrats rigides en verre. Des couches minces de PEDOT:PSS hautement conductrices, étirables et stables dans l'eau ont été obtenues en ajustant la composition chimique des couches et en contrôlant les conditions de traitement. Pour la fabrication de dispositifs flexibles et étirables, un défi majeur apparait lors de la génération de patron de matériaux électroniques organiques dans le but de produire une électronique à haute résolution. L'application de la photolithograpie à cet effet n'est pas aussi facile, car les composés chimiques utilisés dans cette technique (photorésines, développeurs, décapant de résine) peuvent contaminer ou solubiliser les polymères organiques conducteurs. De plus, la génération de patrons d'électrodes métalliques pour les électroniques souples crée aussi un défi. En effet, l'adhésion des photorésines sur la surface des substrats souples (tels que les élastomères) sur lesquels les composants électroniques sont déposés est faible. Nous avons pu fabriquer, avec une résolution micrométrique, des dispositifs qui peuvent soutenir des plis et des extensions afin de leur permettre de s'adapter à des surfaces courbées, souples et élastiques. À cet effet, nous avons utilisé une photorésine récemment développée, qui est immiscible avec des matériaux organiques, pour générer des patrons de PEDOT:PSS. Des masques basés sur des couches minces (2 µm) de polymère ont été utilisées pour générer des patrons d'électrodes métalliques. Ensuite, nous avons utilisé ces techniques pour fabriquer des transistors électrochimiques flexibles et étirables avec une résolution micrométrique. Nos dispositifs ont démontré une haute performance sous des conditions de pli et d'étirement et aussi une très bonne stabilité cyclique. Les dispositifs électroniques souples doivent supporter la déformation mécanique à travers le temps, qui peut endommager les appareils et nuire à leur fonctionnalité. Le développement de matériaux autoréparants, pouvant restaurer la fonctionnalité de l'appareil après endommagement, permettrait d'améliorer grandement la longévité de l'électronique souple. En particulier, l'autoréparation des matériaux électroniques organiques est de première importance car elle peut être combinée avec la flexibilité et la biocompatibilité. Ainsi, cette propriété est très prometteuse pour la détection biologique, l'enregistrement neurologique et l'ingénierie tissulaire. Nous avons exploré les propriétés d'autoréparation du PEDOT:PSS. Les couches de PEDOT:PSS, avec une épaisseur de plus de 1 µm, démontrent une autoréparation électronique instantanée après que de l'eau ait été appliquée à l'endroit endommagé. Le processus d'autoréparation des couches minces n'est pas affecté par le dommage répété et se réalise très rapidement après mouillage. L'autoréparation se fait même après exposition à la vapeur d'eau. Nous avons établi qu'une application possible pour les couches minces autoréparantes est de les utiliser dans des détecteurs d'eau ultrasensibles. La fabrication avancée et les techniques de traitements étudiées dans cette thèse permettront de paver la voie pour le développement de microélectroniques organiques souples pour les appareils électroniques portatifs et de stockage d'énergie flexibles, les écrans flexibles et les détecteurs d'humidité. En particulier, le fait que les appareils puissent travailler de manière stable et s'auto réparer dans l'eau, mène à de futures applications dans la détection biologique, les interfaces neurales, l'administration de médicaments et l'ingénierie tissulaire.