[논문 리뷰] Ion-exchange doped polymers at the degenerate limit: what limits conductivity at 100% doping efficiency?

Ian E. Jacobs, Gabriele D’Avino외 25명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 05.

Conducting polymers and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 이온 교환 도핑을 사용하여 고이동도 공액 폴리머에서 근접 100% 도핑 효율을 달성하며, 열등도 도핑 수준에서 전기 전도도가 주로 반결정성 불순물에 의해 제한되며, 이온 반작용에 의한 전하 트랩보다는 아니라는 것을 입증한다. 이 작업은 고전도도를 달성하기 위해 결정성 질서를 극대화하는 것이 핵심임을 규명한다. 최대 1200 S/cm의 높은 전도도를 달성한다.

ABSTRACT

Doping of semiconducting polymers has seen a surge in research interest driven by emerging applications in sensing, bioelectronics and thermoelectrics. A recent breakthrough was a doping technique based on ion-exchange, which separates the redox and charge compensation steps of the doping process. The improved microstructural control this process allows enables us for the first time to systematically address a longstanding but still poorly understood question: what limits the electrical conductivity at high doping levels? Is it the formation of charge carrier traps in the Coulomb potentials of the counterions, or is it the structural disorder in the polymer lattice? Here, we apply ion-exchange doping to several classes of high mobility conjugated polymers and identify experimental conditions that achieve near 100% doping efficiency under degenerate conditions with nearly 1 charge per monomer. We demonstrate very high conductivities up to 1200 S/cm in semicrystalline polymer systems, and show that in this regime conductivity is poorly correlated with ionic size, but strongly correlated with paracrystalline disorder. This observation, backed by a detailed electronic structure model that incorporates ion-hole and hole-hole interactions and a carefully parameterized model of disorder, indicates that trapping by dopant ions is negligible, and that maximizing crystalline order is critical to improving conductivity.

연구 동기 및 목표

• 열등도 도핑된 공액 폴리머에서 전기 전도도의 기본 한계를 체계적으로 조사하기 위해.
• 높은 도핑 수준에서 전하 트랩이 이온 반작용에 의한 것인지, 또는 구조적 불순물에 의한 것인지 오랫동안 끊어진 논쟁을 해결하기 위해.
• 정확한 도핑 및 미세 구조 제어를 위해 이온 교환 도핑을 사용하여 근접 100% 도핑 효율을 달성하기 위해.
• 이종 폴리머 시스템에서 이온 크기와 격자 불순물이 전도도 제한에 미치는 상대적 영향을 규명하기 위해.

제안 방법

• 산화환원 반응과 전하 보상 단계를 분리하기 위해 이온 교환 도핑을 적용하여 도핑 물질의 통합을 정밀하게 제어하기 위해.
• 일반화 가능성을 확보하기 위해 고이동도 공액 폴리머의 여러 계열에 이 기술을 적용하기 위해.
• 단량체당 하나의 전하에 가까운 도핑 수준(열등도 영역)을 범위로 전기 전도도를 측정하기 위해.
• X선 회절 및 전자 구조 모델링을 사용하여 이온 크기와 구조적 불순물과의 전도도 상관관계를 분석하기 위해.
• 불순물의 매개변수화된 모델을 사용하고 이온-홀 및 홀-홀 상호작용을 통합하여 전자 행동을 시뮬레이션하기 위해.
• 이온 크기의 영향을 분리하면서도 전도도와 반결정성 불순물 간의 상관관계를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근접 100% 도핑 효율과 열등도 조건에서 공액 폴리머의 전기 전도도는 무엇에 의해 제한되는가?
• RQ2 이온의 쿨롱 잠재 에너지가 고도로 도핑된 폴리머에서 전하 운반자 트랩에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 폴리머 격자 내의 구조적 불순물이 고도로 도핑된 상태에서 전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 열등도 도핑된 공액 폴리머에서 이온 크기와 전도도 사이에 강한 상관관계가 존재하는가?
• RQ5 이온-홀 및 홀-홀 상호작용을 포함한 통합 전자 구조 및 불순물 모델이 도핑된 부분 결정성 폴리머에서 전도도 추세를 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 이온 교환 도핑은 부분 결정성 공액 폴리머에서 근접 100% 도핑 효율을 달성하여 열등도 도핑 수준에서의 체계적 연구를 가능하게 한다.
• 최적의 도핑 및 미세 구조 조건에서 고이동도 폴리머 시스템에서 전도도는 최대 1200 S/cm에 도달한다.
• 전도도와 이온 크기 사이에 뚜렷한 상관관계가 없음을 확인하여 이온에 의한 트랩이 주요 제한 요소가 아님을 시사한다.
• 전도도가 반결정성 불순물과 강하게 반비례함을 확인하여 구조적 질서가 전도도 향상의 핵심 요소임을 입증한다.
• 이온-홀 및 홀-홀 상호작용을 포함한 이론적 모델링은 열등도 도핑 조건에서 이온에 의한 전하 트랩이 미미함을 확인한다.
• 결정성 질서를 극대화하는 것이 도핑된 공액 폴리머에서 초고전도도를 달성하기 위한 주요 길임을 규명한다.