ETD

• Conformable Electronics
• Physical Unclonable Function
• Printable Electronics

In recent years, the electronics industry has faced significant challenges in
reducing material waste, adopting sustainable fabrication processes, and
focusing on new flexible, wearable, and conformable applications. In this
framework, new processes and materials have to be considered, going beyond
the standard silicon-based technologies and circuits. Solution-processable techniques
offer low material waste, primarily due to the absence of mask-based
steps during fabrication. These approaches are enabled by the use of organic
and nanostructured materials, which are solution processable and exhibit
interesting mechanical properties for flexible and conformable applications.
In particular, organic materials are characterized by their chemical tunability,
while nanostructured materials provide superior electrical performance,
such as field-effect mobilities exceeding 100 cm2V−1s−1 in 2D materials (2DMs)
semiconductors and low sheet resistivity in metallic nanoparticle suspensions.
Despite that, the wide-spread of this technology is still limited by fabrication
constraints such as resolution in solution-processable techniques and affinity
between different solution-based materials.
This thesis faces the challenges of defining conformable applications through
different approaches based on the development of solution-processable techniques
and materials. First, improvements in resolution of inkjet printing
and dip pen nanolithography (DPN) techniques were explored with the aim
to define geometric features with a pitch less than 1 μm. This was achieved
with the design and fabrication of a versatile prototype of a printing machine
capable of depositing or removing materials with micrometre precision. Then,
complementary processes such as spin coating and wet/dry transfer and
chemical vapour deposition (CVD) were used for the integration of organic and
nanostructured materials, such as poly(ethylenedioxythiophene) : poly(styrene sulfonate)
(PEDOT:PSS), metallic nanoparticles suspensions, poly(vinyl formal) (PVF),
MoS2, on flexible substrate, i.e., polyimide and paper, offering a suitable toolset
for pliable circuit fabrication.
As proof of concept of the technologic solutions developed, high-resolution
radio frequency (RF) coplanar waveguides (CPW) structures, conformable field-effect
transistors (FETs), and low-cost optical authentication systems based on inkjetprinted
physical unclonable functions (PUFs) were fabricated and characterized,
both electrically and mechanically. Thanks to the shared fabrication approach
and material compatibility, these systems can, in principle, be produced within
a unified process flow, offering an integrated, low-cost, low-waste solution for
a broad range of electronic applications.

Negli ultimi anni, l’industria elettronica ha affrontato sfide significative legate alla riduzione degli sprechi di materiale, all’adozione di processi di fabbricazione sostenibili e allo sviluppo di nuove applicazioni flessibili, indossabili e conformabili. In questo contesto, è necessario considerare nuovi materiali e processi, andando oltre le tradizionali tecnologie e circuiti basati sul silicio.

Le tecniche processabili in soluzione offrono una riduzione degli sprechi di materiale, principalmente grazie all’assenza di fasi di fabbricazione basate su maschere. Questi approcci sono resi possibili dall’impiego di materiali organici e nanostrutturati, che sono compatibili con la lavorazione in soluzione e presentano interessanti proprietà meccaniche per applicazioni flessibili e conformabili. In particolare, i materiali organici si distinguono per la loro elevata modulabilità chimica, mentre i materiali nanostrutturati garantiscono prestazioni elettriche superiori, come mobilità di effetto di campo superiori a 100 cm²V⁻¹s⁻¹ nei semiconduttori bidimensionali (2DM) e bassa resistività superficiale nelle sospensioni di nanoparticelle metalliche.

Nonostante questi vantaggi, la diffusione su larga scala di tali tecnologie è ancora limitata da vincoli di fabbricazione, come la risoluzione delle tecniche processabili in soluzione e la compatibilità tra diversi materiali basati su soluzione.

Questa tesi affronta tali sfide attraverso la definizione di applicazioni conformabili mediante diversi approcci basati sullo sviluppo di materiali e tecniche processabili in soluzione. In primo luogo, sono stati studiati miglioramenti nella risoluzione delle tecniche di inkjet printing e dip-pen nanolithography (DPN), con l’obiettivo di definire strutture geometriche con un passo inferiore a 1 μm. Questo risultato è stato ottenuto mediante la progettazione e realizzazione di un prototipo versatile di macchina di stampa, in grado di depositare o rimuovere materiali con precisione micrometrica.

Successivamente, processi complementari come spin coating, tecniche di trasferimento wet e dry, e deposizione chimica da fase vapore (CVD) sono stati utilizzati per integrare materiali organici e nanostrutturati, tra cui poly(ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS), sospensioni di nanoparticelle metalliche, poly(vinyl formal) (PVF) e MoS₂, su substrati flessibili come poliimmide e carta, fornendo un insieme completo di strumenti per la realizzazione di circuiti deformabili.

Come prova di concetto delle soluzioni tecnologiche sviluppate, sono state realizzate e caratterizzate, sia dal punto di vista elettrico che meccanico, strutture coplanari a radiofrequenza (RF) ad alta risoluzione, transistor a effetto di campo (FET) conformabili e sistemi di autenticazione ottica a basso costo basati su physical unclonable functions (PUFs) stampate tramite inkjet.

Grazie all’approccio di fabbricazione condiviso e alla compatibilità tra i materiali, questi sistemi possono, in linea di principio, essere prodotti all’interno di un unico flusso di processo, offrendo una soluzione integrata, a basso costo e con ridotto spreco di materiali per un’ampia gamma di applicazioni elettroniche.