@misc{10481/69860,
year = {2021},
url = {http://hdl.handle.net/10481/69860},
abstract = {Flexible and stretchable electronics is one of the most promising fields for
diverse scientific and industrial areas such as electronic skin, wearables devices
or biosensing. In this way, there is a big emerging effort focused on the synthesis
of flexible conductive materials as an alternative to the conventional rigid siliconbased
technology to satisfy the requirements of this kind of applications (flexibility,
lightness, transparency, etc.).
Since Andre Geim and Konstantin Novoselov were awarded with the Nobel
Prize in Physics in 2010 for their groundbreaking experiments regarding the twodimensional
material graphene, it has attracted the interest of many researchers
due to its unique electrochemical, mechanical and optical properties. However,
although it is a perfect candidate to be used in flexible and stretchable electronics,
these expectations have not been yet materialized into end-user applications
since its current synthesis methods remain costly and unscalable. For these
reasons, the interest of some research activities around graphene is shifting to
the graphene-derived materials which, even though they do not present a pristine
monolayer structure, capitalize part of the unique graphene’s properties and are
paired with synthesis processes suitable for a mass-production of samples.
In this context, the main objective of this thesis is the study of promising
graphene-derived materials, such as graphene oxide (GO), reduced-graphene
oxide (rGO) and laser-induced graphene (LIG), for their use in flexible electronics
devices. In particular, the work carried out during this doctoral thesis includes
from the synthesis and study of these materials to the exploitation of their
properties to develop end-user devices and applications.
Regarding the fabrication processes, this thesis is focused on a scalable method
based on laser assisted photothermal processes to obtain conductive graphenederived
patterns on flexible substrates, specifically, laser-induced graphene and
laser-reduced graphene oxide (LrGO). In addition to the laser-synthesis of these
nanomaterials, this work also addresses other fabrication techniques for the
mass-production of flexible electronics over large area substrates, such screen
and inkjet printing.
Apart from the description of these fabrication techniques and the characterization
of the different materials synthesized, this thesis presents different kinds
of sensors and devices based on these materials, including temperature and humidity
sensors, heaters, supercapacitors and electrocardiogram (ECG) electrodes.
Furthermore, some of these devices have been studied in final applications. Thus,
the LrGO-based temperature sensors were integrated in an IoT sensing platform
with Bluetooth Low Energy capability, whereas the ECG electrodes were tested
in combination with a commercial wearable and custom processing techniques in
order to be used for the ubiquitous and long-term monitoring of the heart rate. Furthermore, this work also reports a pioneering research on the fabrication of
laser-lithographed graphene oxide memristors. Finally, the use of memristors for
the implementation of memcapacitor and meminductor emulators has also been
addressed.
The eleven articles published in indexed journals and the contribution to a
conference of international relevance reflect the success of results achieved during
this thesis.},
abstract = {La electrónica flexible y deformable es uno de los campos más prometedores para
diversas áreas científicas e industriales, como la piel electrónica, los dispositivos
vestibles o los biosensores. Es por ello por lo que existe un gran esfuerzo científico
dirigido a la síntesis de materiales flexibles y conductores eléctricos que permitan
constituir una alternativa a la electrónica rígida convencional basada en silicio
para así satisfacer las necesidades de este tipo de aplicaciones (por ejemplo,
flexibilidad, ligereza, transparencia, etc.).
Desde que Andre Geim y Konstantin Novoselov fueron galardonados con
el Premio Nobel de Física en 2010 por sus innovadores experimentos sobre el
material bidimensional grafeno, este ha atraído el interés de muchos investigadores
por sus singulares propiedades electroquímicas, mecánicas y ópticas. Sin embargo,
aunque es un candidato perfecto para ser usado en el desarrollo de electrónica
flexible y estirable, estas expectativas aún no se han materializado en aplicaciones
para el usuario final, ya que sus métodos de síntesis actuales siguen siendo costosos
y poco escalables. Por ello, el interés de algunas actividades de investigación
en torno al grafeno se está desplazando hacia materiales derivados del grafeno
que, aunque no presentan una estructura monocapa prístina, sí que cuentan con
una parte de las propiedades que hacen al grafeno un material único, con la
adicional ventaja de que estar asociados con procesos de síntesis que permiten
una producción masiva de muestras de una forma más simple y menos costosa.
En este contexto, el objetivo principal de esta tesis es el estudio de materiales
derivados del grafeno, como el óxido de grafeno (GO), el óxido de grafeno
reducido (rGO) y el grafeno inducido por láser (LIG), para su uso en dispositivos
electrónicos flexibles. En concreto, el trabajo realizado durante esta tesis doctoral
incluye desde la síntesis y el estudio de estos materiales hasta la explotación de
sus propiedades para el desarrollo de dispositivos y aplicaciones para el usuario
final.
En lo que respecta a los procesos de fabricación, esta tesis se centra en un
método escalable basado en procesos fototérmicos asistidos por láser para obtener
patrones conductores derivados del grafeno sobre sustratos flexibles, en concreto,
grafeno inducido por láser y óxido de grafeno reducido por láser (LrGO). Además
de la síntesis por láser de estos nanomateriales, este trabajo también aborda otras
técnicas de fabricación para la producción masiva de electrónica flexible sobre
sustratos de gran superficie, como la serigrafía (screen-printing) y la inyección
de tinta (inkjet printing).
Además de la descripción de estas técnicas de fabricación y la caracterización
de los diferentes materiales sintetizados, esta tesis presenta diferentes tipos
de sensores y dispositivos basados en estos materiales, incluyendo sensores de
temperatura y humedad, calentadores (heaters), supercondensadores y electrodos para electrocardiografía (ECG). Además, algunos de estos dispositivos han
sido estudiados en aplicaciones finales. Así, los sensores de temperatura
basados en LrGO se integraron en un nodo sensor IoT con capacidad de
transmisión Bluetooth Low Energy, mientras que los electrodos de ECG se
probaron en combinación con un wearable comercial y técnicas de procesamiento
personalizadas con el fin de ser utilizados para la monitorización ubicua y a largo
plazo de la frecuencia cardíaca. Además, este trabajo también presenta una
investigación pionera sobre la fabricación de memristores de óxido de grafeno
litografiados por láser. Por último, también se ha abordado el uso de memristores
para la implementación de emuladores de memcondensadores y meminductores.
Los once artículos publicados en revistas indexadas y la contribución a una
conferencia de relevancia internacional reflejan el éxito de los resultados obtenidos
durante esta tesis.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
publisher = {Universidad de Granada},
keywords = {Flexible electronics},
keywords = {Graphene oxide},
keywords = {Heater},
keywords = {Laser-induced graphene},
keywords = {Laser fabrication},
keywords = {Memristor},
keywords = {Nanomaterials},
keywords = {Printed electronics},
keywords = {Reduced-graphene oxide},
keywords = {Sensor},
keywords = {Supercapacitor},
keywords = {Electrónica flexible},
keywords = {Óxido de grafeno},
keywords = {Heaters},
keywords = {Grafeno inducido por láser},
keywords = {Fabricación por láser},
keywords = {Nanomateriales},
keywords = {Electrónica impresa},
keywords = {Óxido de grafeno reducido},
keywords = {Supercondensador},
title = {Design, Modeling and Fabrication of Flexible Sensors for IoE Applications using Emerging Technologies},
author = {Romero Maldonado, Francisco Javier},
}