This dissertation reports on the integration of cellulose nanocrystals (CNCs) as
photonic films into optoelectronic devices, where the films’ inherent left-handed
mesoporous chiral nematic structure acts as a circular polarized light (CPL) filter
in the visible light range. The outcome demonstrates for the first time micro-
scopic semiconducting devices based on cellulose, capable of producing specific
electronic outputs when irradiated with either left- or right- handed CPL (LCPL
and RCPL, respectively). For this proof-of-concept two distinct optoelectronic
devices are targeted: a thin-film field-effect transistor and a thin-film photodiode,
spanning the whole visible electromagnetic spectrum. The devices are jointly
developed each one with a specific type of CNC, presenting photonic bandgaps
that are tuned for the active layer of the devices. On the one hand, lab-produced
(home-made CNCs – HM-CNCs) are synthesized through sulfuric acid hydrol-
ysis, yielding HM-CNC films with a photonic bandgap in the blue/UV region.
On the other hand, industrially produced Na neutralized spray-dried CNCs by
CelluForce (C-CNCs) are studied on behalf of their redispersion in water to yield
C-CNC films with a photonic bandgap in the green/red region. The work is
essentially divided into three main parts:
• Study of liquid crystalline and photonic properties of HM-CNCs and C-
CNCs in aqueous suspensions (Chapter 3)
• Implementation of HM-CNCs into field-effect transistors (Chapter 5)
• Implementation of C-CNCs into thin-film photodiodes (Chapter 6)
The main objective of Chapter 5 deals with the implementation of HM-CNCs
films, optimized through the first Objective in Chapter 3, into field-effect tran-
sistors based on amorphous indium-gallium-zinc-oxide (a-IGZO) as the semicon-
ductor. In the resulting devices the HM-CNC films take simultaneously the role
of the devices’ dielectric as a solid-state electrolyte and as a photonic filter for CPL. Consequently, this study encompasses two sub-objectives, connected firstly
to the study of the electrochemical properties of these films and their success-
ful integration into field-effect transistors without compromising self-assembly
behavior. And secondly, successful proof of CPL sensing capabilities of these
devices.
The final study shows the incorporation of C-CNC films, into amorphous
silicon-based thin-film photodiodes, achieving a light sensor capable of discrimi-
nating between RCPL and LCPL. The spectral response of the fabricated photo-
diodes is maximum for specific wavelengths in the green/red region. Irradiating
the devices in these wavelengths they produce photocurrents that are over 50%
distinct between RCPL and LCPL. Fast transient responses (on the order of ms)
of CPL are shown with possible logic operations, as well as humidity sensing.
Films produced through the methods described in Chapter 3 show promis-
ing properties for their application in sensing, co-templating, enantioselectivity,
photonic pigments or anti-counterfeiting. The insights presented in Section 5.1
contribute to applications in solid-state ionics of mesoporous structures or the
combination of optically active electrolytes capable of providing unique func-
tionalities in ion-gated transistors and circuitry. Finally, the types of devices pro-
duced in Section 5.2 and Chapter 6 may find applications in photonics, emission,
conversion, or sensing with CPL but also imaging, spintronics, optoelectronic
counterfeiting or information processing with logic states that depend solely on
the handedness of the incident light.Esta dissertação é dedicada ao estudo de nanocristais de celulose (cellulose
nanocrystals - CNCs) e à sua integração como filmes fotónicos em dispositivos
optoelectrónicos, explorando a sua estrutura nemática quiral com orientação de
rotação para esquerda como um filtro de luz polarizada circularmente (circu-
lar polarized light - CPL) no comprimento de onda visível. Os resultados deste
trabalho demonstram dispositivos microscópicos à base de celulose, capazes de
responder com sinais elétricos específicos quando irradiados por CPL à esquerda
(LCPL) ou CPL à direita (RCPL). Para esta prova-de-conceito são destacados dois
dispositivos optoelectrónicos distintos: transístores e fotodíodos. Os dispositivos
desenvolvidos incorporam diferentes tipos de CNCs com um hiato fotónico espe-
cífico correspondente à região de absorção das camadas ativas dos dispositivos. De
um lado são sintetizados CNCs em laboratório (home-made CNCs – HM-CNCs)
que resultarão filmes fotónicos com um hiato no Azul/UV. De outro lado, CNCs
comerciais da CelluForce (C-CNCs), em forma de pó. A redispersão desse tipo
de CNCs em água é investigada, e resulta em filmes fotónicos com um hiato na
região do verde/vermelho. Essencialmente, o trabalho está divido em três partes
principais:
• Estudo das propriedades líquidas cristalinas e fotónicas de suspensões aquo-
sas de HM-CNCs e C-CNCs (Capítulo 3)
• Implementação de HM-CNCs em transístores (Capítulo 5)
• Implementação de C-CNCs em fotodíodos (Capítulo 6)
Capítulo 5 estuda a implementação de filmes de HM-CNCs, otimizados no
objetivo do Capítulo 3, em transístores de efeito de campo onde o semicondutor
é o óxido de índio-gálio-zinco amorfo (a-IGZO). Nos dispositivos finais, o filme
de HM-CNCs assume uma dupla funcionalidade: funciona como o dielétrico do
transístor (na forma de um eletrólito de estado sólido), e atua como um filtro seletivo de CPL. Logo, esta parte está divida em dois sub-objetivos: a primeira
estuda as propriedades eletroquímicas dos filmes de HM-CNCs, e a sua integração
em transístores de efeito de campo sem perda das propriedades de self-assembly,
enquanto a segunda parte é dedicada à prova de conceito da deteção seletiva de
CPL.
O estudo final demonstra a incorporação de filmes de C-CNCs em fotodíodos
baseados em silício amorfo, que resulta em sensores de luz capazes de diferenciar
entre os dois estados de CPL. A resposta espetral dos fotodíodos é máxima para
comprimentos de onda específicos na região do verde e do vermelho. Ao irradiar
os dispositivos finais nesses comprimentos de onda com CPL, estes apresentam
uma diferença de 50% nas foto-correntes medidas para cada um dos dois estados
de CPL. Os dispositivos finais mostram tempos de resposta rápidos (na ordem dos
ms), o que os habilita a serem implementados em circuitos para operações lógicas
baseadas em estados de polarização e também como sensores de humidade.
Filmes produzidos no Capítulo 3, mostram propriedades promissoras para
a sua aplicação em sensores, pigmentos fotónicos, e na área de anti-falsificação
e segurança. Os resultados da Secção 5.1 contribuem para aplicações em iónica
de estado sólido de estruturas mesoporosas, ou a combinação de eletrólitos ótica-
mente ativos. Por fim, os dispositivos fabricados na Secção 5.2 e Capítulo 6, podem
ser aplicados em áreas de fotónica, emissão, conversão ou sensores de CPL, mas
também imagiologia, spintrónica, anti-falsificação por dispositivos optoelectró-
nicos, ou processamento de informação com estados lógicos que dependem da
polarização da radiação incidente
