Introdução à eletrônica integrada em celulose: Utilizando compósitos de celulose bacteriana e o polímero PEDOT

De Alberto Jesús Gutiérrez Aguayo

Dentro do desenvolvimento da eletrônica de estado sólido, têm surgido os sistemas flexíveis e atualmente se procura que sejam biocompatíveis, biodegradáveis e de baixo custo. O livro Introdução à Eletrônica Integrada em Celulose apresenta um estudo experimental de diodos de junção Schottky, resistores baseados em compósitos de celulose bacteriana e o polímero conjugado PEDOT, utilizando o efeito termoiônico produzido pela junção de um metal e um compósito. É atraente o uso da celulose no desenvolvimento de uma aplicação eletrônica orgânica devido aos processos de impressão a jato de tinta, borrifamento ultrassônico, implantação por plasma, dentre outras metodologias comumente utilizadas nas áreas da eletrônica flexível e da engenharia de materiais, as quais apresentam uma boa performance na produção de padrões geométricos com alta margem de precisão. Se a celulose apresentara características semicondutoras, como é o caso dos compósitos com polímeros conjugados como o PEDOT, e com a utilização de processos planares similares aos utilizados no desenvolvimento de circuitos integrados comerciais, apresentaria vantagens em termos de custo e de funcionalidade, uma vez que contaria com as características dos sistemas eletrônicos orgânicos, flexíveis, biocompatíveis e biodegradáveis, os quais poderiam ser integrados em um chip constituído de celulose. Este trabalho apresenta resultados de diodos de junção Schottky cujas respostas de tensão-corrente competem com as que apresentam diodos comerciais de estado sólido e com dispositivos orgânicos semelhantes, porém formados com outros materiais, reportados nos jornais científicos. Este livro apresenta uma metodologia multidisciplinar que pode ser de utilidade tanto para os projetistas de circuitos integrados que estão interessados na eletrônica orgânica quanto para os engenheiros de materiais e biomedicina que estejam pensando em desenvolver sistemas com funcionalidades eletrônicas ou estudos aplicando-os.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Appris
• Data de lançamento: 3 de jul. de 2018
• ISBN: 9788547309916

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COMITÊ CIENTÍFICO DA COLEÇÃO ENSINO DE CIÊNCIAS

Dedico este trabalho à minha amada esposa, Leidiane, que, além de ser uma contribuinte ativa, é parte essencial deste, sendo em todas as vezes uma luz de inspiração.

A meus pais, Alberto M. Gutiérrez Macias e Graciela Aguayo Cruz, os construtores de sonhos, lutadores incansáveis, que colocaram em minhas mãos pincel e cores para pintar um futuro, aqueles luthiers que me brindaram as partituras nas quais uma sinfonia ainda se escreve. Também à minha irmã Claudia Daniela Gutiérrez Aguayo, que sempre tem sido a minha confidente.

Aos 43 estudantes normalistas de Ayotzinapa, Guerrero, um futuro que foi desaparecido.

FIGURA 1 - Ilustração satírica da construção de um circuito formado por diodos e capacitores

FONTE: autor desconhecido

AGRADECIMENTOS

A realização deste trabalho não seria possível sem a contribuição e parceria entre pessoas. Por tal motivo, gostaria de dedicar algumas linhas para agradecer a cada uma delas, em particular, que de uma ou outra forma fizeram parte da realização deste trabalho.

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer à minha esposa, Leidiane Cristina David Gutiérrez, que, com seu carinho, amor e compreensão, tem trabalhado ao meu lado para a realização deste trabalho. A meus amados pais, Alberto M. Gutiérrez Macias e Graciela Aguayo Cruz, e à minha irmã, Claudia Daniela Gutiérrez Aguayo, que me deram as ferramentas necessárias, passando por muitos sacrifícios, para que eu pudesse conseguir progredir nos meus estudos. Ao meu amigo, o mestrando Mateus Bernardino Moreira, e a sua esposa, Mariane Antonio de Oliveira Moreira, que me brindaram com suas ajudas. Ao Mateus, que compartilhou comigo e meus colegas da Floripa-DH grandes momentos de trabalho em equipe. À mestra Laura Granados Caro, que sempre foi uma grande colega e amiga.

Ao doutor Rodrigo Cercena, que realiza o pós-doutorado na Universidade do Extremo Sul Catarinense (Unesc) no Programa de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais (PPGCEM), colaborando dentro do Laboratório de Processamento Avançado de Polímeros (Lappa), que me brindou com suporte e ajuda no desenvolvimento dos compósitos de nanocelulose bacteriana e o polímero PEDOT.

De igual forma, agradeço a ajuda que me foi brindada pelo doutor Zhang-Qi Feng, professor da Escola de Engenharia Química da Universidade de Ciência e Tecnologia de Nanjing, China.

Agradeço ainda a ajuda e o suporte que me foram brindados pelo doutor Tomas Francisco Díaz Becerril, pesquisador do Centro de Pesquisa de Circuitos Integrados da Benemérita Universidade Autônoma de Puebla (Buap), México, e seu estudante de mestrado, o engenheiro Delfino Román Gutiérrez Olvera.

Aos caros doutores José Juan Martín Mozo Vargas, grande colega e amigo, e José Joaquín Alvarado Pulido, ambos pertencentes ao Centro de Pesquisa de Dispositivos Semicondutores da Benemérita Universidade Autônoma de Puebla, México, que me brindaram com sua ajuda.

Agradeço ao doutor Edmundo Gutiérrez Domínguez e ao doutor Pedro Rosales Quintero, pesquisadores do Instituto Nacional de Astrofísica Óptica e Eletrônica (Inaoe), Puebla, México, que disponibilizaram sua ajuda e seu tempo.

Ainda, o reconhecimento e o agradecimento ao meu colega e estudante de graduação do Instituto da Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina (Ufsc), George Antônio Paes de Barros, que contribuiu e trabalhou ombro a ombro no início desta pesquisa.

Agradeço à estudante de engenharia química Tuane do Canto Antonio, que, sob orientação do professor doutor Luismar Marques Porto, confeccionou os hidrogéis de celulose bacteriana para o desenvolvimento desta pesquisa.

Agradeço ao doutorando do Instituto de Física da Universidade Federal de Santa Catarina (Ufsc), Luis Alberto Torres Quispe, orientando do professor doutor André Avelino Pasa, pelo suporte fornecido durante as medições DRS.

Agradeço ao engenheiro técnico do Laboratório Central de Microscopia Eletrônica, Luciano de Oliveira, que contribuiu com suporte e ajuda nas análises de microscopia.

Agradeço aos professores doutores Luismar Marques Porto, André Avelino Pasa, Sidnei Noceti Filho e Fernando Rangel de Sousa, por me disponibilizarem o uso dos laboratórios: Laboratório de Tecnologias Integradas, Laboratório de Filmes Finos e Superfícies, Laboratório de Ensino de Experimentação em Eletrônica e Laboratório de Rádio Frequência, todos eles pertencentes à Universidade Federal de Santa Catarina (Ufsc).

Ao estudante de doutorado Graciano Bay, que compartilhou e trocou conselhos e dicas no uso do LaTeX e outros tópicos interessantes, e à doutora Luciana Valgas de Sousa, que me brindou com suporte para conseguir realizar a base de medições.

Ao meu colega Roddy Alexander Romero Antayhua, pela ajuda e o apoio que brindou durante este trabalho e pela parceria profissional.

Por último, porém não menos importante, aos órgãos de fomento científico e tecnológico, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível (Capes) e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pelo suporte financeiro para a realização deste trabalho.

APRESENTAÇÃO

A nanocelulose bacteriana, no decorrer do tempo e em inúmeras pesquisas, tem sido descrita como um material versátil que recentemente vem sendo utilizado em diversos ramos tecnológicos devido à grande gama de propriedades que possui. Uma dessas propriedades de interesse é a compatibilidade que possui com processos químicos que envolvem soluções aquosas, alcoólicas, dentre outras, as quais são utilizadas para mudar sua natureza física, portanto expandindo a sua funcionalidade.

Se pensarmos em projetos muito entusiastas utilizando esse material, poderíamos enunciar alguns, por exemplo, nas casas inteligentes: imagine um papel de parede que conte com um circuito impresso dentro dele, que permita registrar a temperatura do ambiente e que encaminhe o sinal, via algum protocolo de radiofrequência, até um relógio inteligente ou a um sistema mais complexo de calefação, ou então como um sensor de umidade ou presença. Na área da biomedicina poder-se-ia pensar nos sistemas microfluídicos utilizados para a experimentação com tecidos orgânicos e teste de fármacos: pense em um sistema que aplique diferentes formas de ondas de estímulos elétricos; seria de grande utilidade no desenvolvimento de novos tratamentos de doenças, assim como novas metodologias de medição para analisar a performance dos fármacos sem serem aplicados em seres vivos diretamente. Poderia ser enunciada uma gama muito ampla de aplicações desse tipo em que a celulose, apresentando certas propriedades eletrônicas, poderia resolver diversos problemas e necessidades e cujo processo de criação é totalmente sustentável ao ser produzida por bactérias.

As pesquisas estão sendo incentivadas no estudo dos compósitos de celulose bacteriana e polímeros conjugados, já que apresentam propriedades elétricas que levariam à realização de dispositivos e sistemas eletrônicos orgânicos. Em particular, os compósitos de celulose bacteriana e o polímero conjugado poli (3,4 etilenodioxitiofeno) (PEDOT) têm sido apresentados na literatura dentro de diversas aplicações, por exemplo, no desenvolvimento de supercapacitores orgânicos, na melhora de contatos em baterias flexíveis, dentre outros. Diferentes estudos de condutividade de compósitos de NCB/PEDOT sugerem que o material é de natureza condutora e apontam que sob algumas condições de medição o material apresenta uma relação de tensão-corrente não linear, atribuída às condições não ideais de experimentação. O propósito deste trabalho é apresentar, mediante a aplicação de um fluxo de análise experimental e caracterização, como são abordados na indústria microeletrônica de estado sólido, os resultados que levaram à identificação da verdadeira natureza elétrica do material e sua caracterização. Com esse conhecimento foi possível desenvolver alguns dispositivos e uma interfase para demonstrar que é possível pensar na integração de componentes no substrato.

Este trabalho tem como objetivo geral analisar compósitos de celulose bacteriana baseados no polímero conjugado PEDOT mediante o efeito termoiônico, estabelecendo correlações entre os parâmetros elétricos envolvidos no modelo físico-matemático dos diodos de junção Schottky e resistores de junção ôhmica e as variáveis do processo de síntese dos compósitos, com o intuito de apresentar a natureza do polímero PEDOT, que é semicondutora, contrapondo o que reporta a literatura sobre sua característica condutora. Da mesma forma, apresenta-se a possibilidade de controlar o processo de síntese para obter um compósito semicondutor e com características interessantes para o desenvolvimento de dispositivos semicondutores, que poderiam futuramente ser integráveis. Três diferentes pontos foram considerados neste livro para apresentar ao leitor os fundamentos experimentais que suportam as anteriores asserções, que são:

•  Apresenta-se a realização de um planejamento experimental como parte de uma metodologia que permita um controle quantificável no processo de síntese dos compósitos de celulose bacteriana baseados no polímero PEDOT, viabilizando a aquisição de dados relacionados ao processo de desenvolvimento que levaram à procura de correlações entre os dados adquiridos nas medições elétricas dos compósitos.

•  O livro apresenta resultados de medições e caracterizações de diodos de junção Schottky e resistores baseados nos compósitos de celulose bacteriana e PEDOT. Os parâmetros elétricos extraídos das medições, aplicando o modelo físico-matemático do efeito termoiônico, além de caracterizarem os dispositivos, forneceram informações relacionadas com o material, as quais ainda não têm sido reportadas na literatura relacionada com esse material e estudos.

•  Também são apresentadas análises de caracterização óptica e microscopia que complementam e suportam as informações obtidas dos compósitos e os dispositivos desenvolvidos com estes, permitindo-se, assim, a validação dos controles de processo definidos no planejamento experimental das amostras.

As limitações definidas pelos recursos disponibilizados para o desenvolvimento desta obra não foram um obstáculo para a busca criativa de metodologia para a realização do livro. Ao aplicar métodos de extração de parâmetros para diodos Schottky, que se encontram na literatura para a caracterização da interação metal-compósito, os dados são coletados de forma indireta, podendo ter uma maior eficácia se fossem comparados com dados obtidos de medições diretas. Não foi considerada a análise a distintas temperaturas, no entanto foi maximizado o uso de equipamentos que geralmente se encontram nos laboratórios de ensino para pesquisa pelo que foram otimizados os recursos. O estudo foi delimitado à análise da interação metal-compósito, aplicando contatos metálicos sobrepostos nas superfícies das amostras, o que permitiu obter dados altamente relevantes para evoluir a impressão de contatos metálicos e filmes. Nesse sentido, indica-se a necessidade de desenvolver tintas de nanopartículas metálicas, incentivando o estudo, a análise e a caracterização de fluidos para o desenvolvimento de tais tintas – estudo esse que não é parte deste trabalho, mas é abordado em uma breve introdução. Foi considerado o uso de um planejamento fatorial fracionado usado na indústria para otimização de processos devido ao espaço amostral que, por sua vez, como indicado acima, está limitado aos recursos e materiais disponibilizados para este trabalho.

Alberto J. Gutiérrez Aguayo

PREFÁCIO

En este trabajo, Introdução à Eletrônica Integrada em Celulose: utilizando compósitos de celulose bacteriana e o Polímero PEDOT, está el cómo se desarrolló esta área de la electrónica, en qué estado se encuentra y cómo se ve el futuro de la misma. La necesidad de tener a la mano materiales con características cada vez más específicas, exigen hacer una revisión de los materiales que se tienen hasta ahora bien conocidos (electrónica inorgánica), para reconstruir o construir nuevos materiales que satisfagan nuestras necesidades. Entre estas necesidades esta la utilización de tecnologías limpias y/o tecnologías verdes que sean menos contaminantes para el medio ambiente, a un bajo costo y de una amplia aplicación; para lo cual parece ser un candidato la celulosa bacteriana y el polímero conjugado PEDOT.

Para alcanzar su objetivo y continuar en el avance de las investigaciones en el desarrollo de la electrónica orgánica, flexible, biodegradable y biocompatible integrada, este trabajo está dividido en seis capítulos.

En el capítulo uno se pone en contexto el problema a tratar, el porqué del trabajo y los objetivos del mismo.

En el capítulo dos se documenta el estado en que se encuentra la electrónica basada en compuestos de carbono (electrónica orgánica). Se da una breve introducción sobre los mecanismos de conducción en metales y semiconductores, también se expone se una revisión general de los polímeros conjugados y se introduce el polímero conjugado PEDOT con la celulosa bacteriana, en el contexto de sustratos orgánicos. Termina esta sección comentando el transistor orgánico, diodo orgánico y la unión óhmica.

En el capítulo tres se dan los fundamentos teóricos necesarios para analizar los resultados obtenidos de la investigación realizada, lo que conllevo a criterios de correlación entre el proceso de creación de los compuestos y los parámetros eléctricos medidos de estos. Se hace una descripción de la unión metal semiconductor para tener un modelo físico del efecto termoiónico que permita el análisis de los compuestos de celulosa bacteriana con él polímero PEDOT.

En el capítulo cuatro se encuentra la metodología general seguida en el trabajo, así como las estrategias para obtenerla. Se presenta una revisión de métodos de análisis óptico y eléctrico que se utilizaron en el trabajo así como la planificación experimental que permitió tener la mayor información posible para una conclusión más sólido de la investigación.

En el capítulo cinco se presentan los resultados obtenidos, la discusión de los mismos y resultados de los diferentes estudios realizados: microscopia electrónica, análisis óptico de espectrofotometría de reflectancia difusa, análisis de espectrometría ATR-FTIR, mediciones eléctricas y de efecto hall.

En el capítulo seis están las conclusiones y contribuciones de este trabajo. Entre estas conclusiones y contribuciones se encuentran las siguientes: en el compuesto NCB / PEDOT al usar diferentes agentes oxidantes en el proceso de polimerización, presento diferentes características estructurales, mismas que podrían permitir en un futuro tener características similares a los dispositivos y circuitos integrados de estado sólido. Estos compuestos pueden ser una alternativa a los sustratos cristalinos convencionales con la ventaja de que los compuestos son un material orgánico, flexible, biodegradable biocompatible y además a bajo costo. La modulación del band gap de este compuesto lo hace un elemento de estudio en optoelectrónica. Como material para el desarrollo de circuitos integrados. Se encontró que los compuestos NCB / PEDOT(OTs)3 poseen un alto potencial en el desarrollo de circuitos integrados, cuando se utilizan técnicas convencionales planares en el diseño de circuitos. Los valores de movilidad y concentración de portadores que presentan los compuestos NCB/PEDOT:(OTs)3 señalan que es posible pensar en la creación de un transistor basado en dichos compuestos.

El material está dirigido principalmente a especialista en el área de electrónica en general y de electrónica orgánica en particular. Aunque la forma en que está expuesto el material y la basta cantidad de referencias bibliográficas lo hace accesible a un público más amplio.

Profesor José Juan Martín Mozo Vargas

Centro de Investigación en Dispositivos Semiconductores de la Universidad Autónoma de Puebla

PREFÁCIO

Neste trabalho, Introdução à Eletrônica Integrada em Celulose: utilizando compósitos de celulose bacteriana e o Polímero PEDOT, expõe-se como foi se desenvolvendo essa área da eletrônica, o estado em que se encontra e o que se espera do seu futuro. A necessidade de ter à mão materiais com características cada vez mais específicas exige realizar uma revisão dos materiais com que se conta até o momento bem conhecidos (eletrônica inorgânica) para reconstruir ou construir novos materiais que cubram as nossas necessidades. Entre essas necessidades encontra-se a utilização de tecnologias limpas e/ou tecnologias verdes, que sejam menos contaminantes para o meio ambiente, a um baixo custo e com uma ampla aplicação, para o que parece ser um candidato a celulose bacteriana e o polímero conjugado PEDOT.

Para atingir seu objetivo deste trabalho e continuar o avanço das investigações no desenvolvimento da eletrônica orgânica, flexível, biodegradável e biocompatível integrada, este trabalho está dividido em seis capítulos.

No capítulo 1 coloca-se no contexto o problema a tratar, o porquê do trabalho e seus objetivos.

No capítulo 2 é documentado o estado em que se encontra a eletrônica baseada em compósitos de carbono (eletrônica orgânica). É dada uma breve introdução sobre os mecanismos da condução em metais e semicondutores, e também é exposta uma revisão geral dos polímeros conjugados, além de se apresentar a introdução ao polímero conjugado PEDOT com a celulose bacteriana no contexto dos substratos orgânicos. Essa seção termina comentando o transistor orgânico, o diodo orgânico e a junção ôhmica.

No capítulo 3 são apresentados os fundamentos teóricos necessários para a análise dos resultados obtidos na investigação efetuada, o que levou a critérios de correlação entre o processo de criação dos compósitos e os parâmetros elétricos medidos. É feita uma descrição da junção metal-semicondutor para obter um modelo físico do efeito termoiônico que permita a análise dos compósitos de celulose bacteriana com o polímero PEDOT.

No capítulo 4 encontra-se a metodologia geral seguida no decorrer do trabalho, assim como as estratégias para obtê-la. Apresenta-se uma revisão dos métodos de análises óticos e elétricos que foram utilizados no trabalho, assim como a planificação experimental que viabilizou obter a maior quantidade de informação possível para uma conclusão mais sólida da pesquisa.

No capítulo 5 são apresentados os resultados obtidos, a discussão sobre eles e os resultados dos diferentes estudos realizados: microscopia eletrônica, análises ópticas de espectrofotometria de reflectância difusa, análises de espectrometria ATR-FTIR, medições eléctricas e de efeito Hall.

No capítulo 6 encontram-se as conclusões e contribuições deste trabalho. Entre essas conclusões e contribuições estão as seguintes: nos compósitos NCB / PEDOT, ao utilizar diferentes agentes oxidantes no processo de polimerização, foram notadas diferentes características estruturais, as mesmas que poderiam permitir, no futuro, obter características semelhantes aos dispositivos e circuitos integrados de estado sólido. Esses compósitos podem ser uma alternativa aos substratos cristalinos convencionais, com a vantagem de que os compósitos são um material orgânico, flexível, biodegradável, biocompatível e, além disso, de baixo custo. A modulação do bandgap desse compósito faz dele um elemento de estudo na optoeletrônica como material para o desenvolvimento de circuitos integrados. Foi encontrado que os compósitos de NCB / PEDOT (OTs)3 possuem um alto potencial no desenvolvimento de circuitos integrados quando utilizadas técnicas convencionais planares em projeto de circuitos. Os valores da mobilidade e concentração de portadores que apresentam