Bubble Printing of MXenes: A Micropatterning Method for Functional Device Applications

Abstract

The development of two-dimensional materials, particularly MXenes, has enabled significant advancements in electronics, energy storage, and sensors. MXenes are a family of transition metal carbides, nitrides, and carbonitrides that offer high electrical conductivity, mechanical strength, and tunable surface chemistry. This dissertation studies the use of bubble printing as a method to pattern MXene for advanced electronic and sensing applications. The first study focuses on bubble printing Ti3C2TX MXene to fabricate conductive and plasmonic nanostructures on non-plasmonic substrates. This study demonstrates that bubble printing enables high-resolution patterning comparable to that of conventional lithography while requiring less complex processing. The resulting nanostructures have the potential to be used in electronic components that benefit from high conductivity and plasmonic behavior. The second study discusses the fabrication of flexible, MXene-based microstructures using optically directed bubble printing. Importantly, these structures are printed directly onto flexible plastic films, demonstrating the method’s adaptability to diverse substrate types. These printed microstructures are well-suited for wearable electronics and strain sensors, where durability and responsiveness are essential. MXenes’ compatibility with bubble printing provides a versatile route toward creating mechanically robust and flexible electronics for dynamic environments. The third study extends this method to MXene-based composites using laser-directed bubble printing to produce micropatterned photodetectors. By enabling the combination of MXenes with arbitrary materials, this technique unlocks a versatile micropatterning route for composites. The integration of MXenes with semiconductors facilitates sensitive light detection in miniaturized formats. Moreover, its scalability and sub-micron resolution offer a pathway to compact and functional optoelectronic devices suitable for integration into high-density systems. In summary, this dissertation demonstrates the potential of bubble printing as a scalable, versatile technique for fabricating MXene-based electronic and sensing structures. This technique can be used to create functional microstructures with high electrical conductivity, mechanical flexibility, and sensing sensitivity, which supports its potential for use in next-generation flexible electronics, sensors, and photodetectors.

Die Entwicklung zweidimensionaler Materialien, insbesondere MXene, hat Fortschritte in Elektronik, Energiespeicherung und Sensorik ermöglicht. MXene sind Übergangsmetallcarbide, -nitride und -carbonitride mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, mechanischer Festigkeit und variabler Oberflächenchemie. Diese Dissertation untersucht den Einsatz des Bubble Printings zur Strukturierung von MXenen für moderne elektronische und sensorische Anwendungen. Die erste Studie widmet sich dem Bubble Printing von Ti3C2TX MXene zur Herstellung leitfähiger und plasmonischer Nanostrukturen auf nicht plasmonischen Substraten. Es wird gezeigt, dass Bubble Printing eine hochauflösende Strukturierung ermöglicht, die mit konventioneller Lithografie vergleichbar ist, jedoch weniger komplexe Prozesse erfordert. Die resultierenden Nanostrukturen bieten Potenzial für elektronische Bauteile, die von hoher Leitfähigkeit und plasmonischem Verhalten profitieren. Die zweite Studie behandelt die Herstellung flexibler MXene-Mikrostrukturen durch optisch gesteuertes Bubble Printing direkt auf flexible Plastikfolien und demonstriert so die Adaptionsfähigkeit der Methode an verschiedene Substrate. Diese Strukturen eignen sich für tragbare Elektronik und Dehnungssensoren, bei denen Langlebigkeit und Empfindlichkeit relevant sind. MXene zusammen mit Bubble Printing eröffnen so vielversprechende Möglichkeiten zur Herstellung mechanisch robuster und flexibler Elektronik für dynamische Umgebungen. Die dritte Studie erweitert diese Methode auf MXene-Komposite, wobei lasergesteuertes Bubble Printing zur Mikrostrukturierung von Fotodetektoren genutzt wird. Dies ermöglicht die Kombination von MXenen mit beliebigen Materialien und eröffnet vielseitige Wege zur Herstellung von Komposit-Mikrostrukturen. Die Integration von MXenen mit Halbleitern ermöglicht eine empfindliche Lichtdetektion in miniaturisierten Formaten. Zudem bieten die Skalierbarkeit und Auflösung im Submikrometerbereich einen Weg zu kompakten und funktionalen optoelektronischen Bauteilen für Systeme mit hoher Baudichte. Insgesamt hebt diese Dissertation das Potenzial des Bubble Printings als skalierbare und vielseitige Technik zur Herstellung von elektronischen und sensorischen MXene-Strukturen hervor. Dabei erlaubt die Methode die Herstellung funktionaler Mikrostrukturen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, mechanischer Flexibilität und Sensorempfindlichkeit und zeigt Potenzial für die nächste Generation flexibler Elektronik, Sensoren und Photodetektoren.