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Eumelanin for Organic Electronics : Film Formation and Transport Physics

Manuel Reali

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

The United Nations defined sustainability as “the ability to meet the needs of the present generations without compromising future generations […]”. The access to clean and low-cost energy is paramount to achieve sustainability on the global scale. The formidable technological advances of recent decades, paralleled by high purchasing power, growing urbanization and industrialization, have broadened access to consumer electronics, leading to a growing demand for electrical and electronic equipment (EEE). The rapid growth of market demand is giving rise to manufacturing processes that are unsustainable in terms of electronic waste (e-Waste or WEEE) streams, depletion of key chemical elements, energy consumption and ecotoxicity. In this scenario, green (sustainable) organic electronics can constitute a valuable route to alleviate the footprint of electronics. Green organic electronics is based on the use of organic carbon-based bio-sourced (i.e., extracted from natural sources or synthesized following the green chemistry principles), low embodied energy, low-cost, biocompatible, biodegradable, solution processable materials. The molecular structure of organic electronic materials exhibits conjugation (alternance of single double carbon bonds). This structure can also allow the formation of hydrogen bonds. The mechanical flexibility of organic materials allows a combined electronic and ionic (sometimes protonic) transport. Remarkably, mixed ionic-electronic conductivity enables the connection between biology, which speaks the language of protons, and conventional electronics based on electron and hole transport. Organic electronics devices cannot currently compete in terms of performance with silicon technology, but they represent its most promising complement. Eumelanin, a black-brown subgroup of melanins (abundant biopigment in flora and fauna), has proven an ideal candidate in the field of green organic electronics and bioelectronics. Eumelanin is non-toxic, biocompatible, solution-processable, conjugated biomacromolecule exhibiting UV-Vis absorption, metal-ion chelation, radical scavenging, redox activity and mixed ionic (protonic)-electronic transport. Several eumelanin-based applications have been demonstrated, including memory devices, n-p type porous Si/eumelanin heterojunctions, electrodes for energy storage devices, electrochemical transistors and phototransistors.

Résumé

Les Nations unies ont défini le développement durable comme "la capacité de répondre aux besoins des générations actuelles sans compromettre ceux des générations futures [...]"1. L'accès à une énergie propre et peu coûteuse est primordial pour atteindre le développement durable à l'échelle mondiale. Les formidables progrès technologiques des dernières décennies, parallèlement à un pouvoir d'achat élevé, à une urbanisation et une industrialisation croissante, ont élargi l'accès à l'électronique grand public, entraînant une demande croissante d'équipements électriques et électroniques (EEE). La croissance rapide de la demande du marché donne lieu à des processus de fabrication qui ne sont pas durables en termes de flux de déchets électroniques (e-déchets ou DEEE), d'épuisement d'éléments chimiques clés, de consommation d'énergie et d'écotoxicité. Dans ce scénario, l'électronique organique verte (dite durable) pourrait constituer une voie prometteuse pour atténuer l'empreinte écologique de l'électronique. L'électronique organique verte est basée sur l'utilisation de matériaux organiques à base de carbone biosourcés (c'est-à-dire extraits de sources naturelles ou synthétisés en suivant les principes de la chimie verte), à faible énergie intrinsèque, à faible coût, biocompatibles, biodégradables, pouvant être traités en solution. La structure moléculaire des matériaux utilisés en électronique organique présente des caractéristiques de conjugaison (alternance de simple et doubles liaisons carbone). Cette structure peut aussi permettre liaisons hydrogène. La souplesse mécanique des matériaux organiques permet un transport combiné électronique et ionique (parfois protonique). De façon remarquable, la conductivité mixte ionique-électronique permet la connexion entre la biologie, qui parle le langage des protons, et l'électronique conventionnelle basée sur le transport des électrons et des trous. Les dispositifs électroniques organiques ne peuvent actuellement pas rivaliser avec la technologie du silicium en termes de performances, mais ils représentent son complément le plus prometteur.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Clara Santato and Fabio Cicoira
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9953/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 14 Apr 2022 13:59
Last Modified: 07 Apr 2024 19:00
Cite in APA 7: Reali, M. (2021). Eumelanin for Organic Electronics : Film Formation and Transport Physics [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9953/

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