Conductivity, structure and bioconjugation of gold-polythiophene hybrid nanoparticles for printed electronics

Abstract

Printing techniques enable the large-scale and cost-effective production of modern electronic devices such as photovoltaics, displays and thin-film transistors. One main challenge in the fabrication of printed electronics is the formulation of printable nanoparticle inks. This thesis deals with gold-polythiophene nanoparticles, that form a new electrically conductive hybrid material. Unlike commercial metal nanoparticle inks, these hybrids become conductive immediately after printing without post-treatment. Interactions between the gold nanoparticles and the polymers strongly affect the electrical properties of these hybrids. This work shows which molecular arrangements of the polythiophene chains in the ligand shell and which energy level alignment between the electronic structure of the polymer with those of gold are beneficial for charge transport in hybrid films. Functional groups in the conductive polymer shell of the hybrid materials enable molecular interactions with biological molecules. Biofunctionalizable hybrid gold nanoparticles with carboxylated polythiophene ligands were introduced in this thesis. Layers composed of these hybrids were used as platforms for cell growth and colloidal inks containing these hybrid nanoparticles were applied to produce biosensors for electrochemical glucose monitoring by inkjet printing.

Druckverfahren ermöglichen großflächige und kosteneffiziente Produktion von moderner Elektronik wie Photovoltaik, Displays und Dünnschichttransistoren. Eine primäre Herausforderung bei der Herstellung gedruckter Elektronik ist die Formulierung von druckbaren Nanopartikeltinten. Diese Arbeit befasst sich mit Gold-Polythiophen Nanopartikeln, die ein neuartiges elektrisch leitfähiges Hybridmaterial bilden. Anders als kommerzielle Metall-Nanopartikel-Tinten werden diese Hybridmaterialien nach dem Druckprozess ohne Nachbehandlung sofort leitfähig. Wechselwirkungen zwischen den Gold-Nanopartikeln und den Polymeren beeinflussen stark die elektrischen Eigenschaften dieser Hybridmaterialien. Diese Arbeit zeigt auf welche molekulare Anordnung der Polymerketten in der Ligandenhülle sowie welche energetische Übereinstimmung der elektronischen Struktur des Polymers mit der von Gold vorteilhaft für den Ladungstransport in hybriden Filmen sind. Funktionelle Gruppen in der leitfähigen Polymerhülle der Hybridmaterialien ermöglichen Wechselwirkungen mit biologischen Molekülen. Biologisch funktionalisierbare hybride Goldnanopartikel mit carboxylierten Polythiophen-Liganden wurden in dieser Arbeit eingeführt. Schichten bestehend aus diesen Hybridmaterialien wurden als Substrate für Zellwachstum verwendet und kolloidale Tinten, welche diese hybriden Nanopartikel enthielten, wurden eingesetzt, um Biosensoren für elektrochemische Glukosemessung mittels Tintenstrahldruck zu produzieren.