[논문 리뷰] Conductivity in organic semiconductors mediated by polaritonic states

Emanuele Orgiu, Jino George외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 05.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 14인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 플라스모닉 나노구조를 통해 유기 반도체를 진공 전자기장과 강하게 결합시켜, 약 10^5개 분자에 걸쳐 전하 운반자가 국소화되지 않도록 하는 폴라리톤 상태를 형성함으로써 유기 반도체의 전도도를 향상시키는 방법을 제안한다. 공명 조건에서 전류가 약 10배 증가하며, 이는 이에 따른 필드효과 이동도의 상승 때문이며, 양자 모델과 트랜지스터 측정을 통해 확인되었다.

ABSTRACT

Organic semiconductors have generated considerable interest for their potential for creating inexpensive and flexible devices easily processed on a large scale [1-11]. However technological applications are currently limited by the low mobility of the charge carriers associated with the disorder in these materials [5-8]. Much effort over the past decades has therefore been focused on optimizing the organisation of the material or the devices to improve carrier mobility. Here we take a radically different path to solving this problem, namely by injecting carriers into states that are hybridized to the vacuum electromagnetic field. These are coherent states that can extend over as many as 10^5 molecules and should thereby favour conductivity in such materials. To test this idea, organic semiconductors were strongly coupled to the vacuum electromagnetic field on plasmonic structures to form polaritonic states with large Rabi splittings ca. 0.7 eV. Conductivity experiments show that indeed the current does increase by an order of magnitude at resonance in the coupled state, reflecting mostly a change in field-effect mobility as revealed when the structure is gated in a transistor configuration. A theoretical quantum model is presented that confirms the delocalization of the wave-functions of the hybridized states and the consequences on the conductivity. While this is a proof-of-principle study, in practice conductivity mediated by light-matter hybridized states is easy to implement and we therefore expect that it will be used to improve organic devices. More broadly our findings illustrate the potential of engineering the vacuum electromagnetic environment to modify and to improve properties of materials.

연구 동기 및 목표

• 재료의 질서 없는 특성으로 인한 유기 반도체의 낮은 전하 운반자 이동도를 극복하기 위해.
• 진공 전자기 환경을 설계하여 전도도를 향상시키는 새로운 접근법을 탐색하기 위해.
• 하이브리드 빛-물질 상태(폴라리톤)가 운반자 이동도와 전도도를 향상시킬 수 있는지 테스트하기 위해.
• 일관된 국소화되지 않은 상태가 장치 성능 향상에 기여하는지 검증하기 위해.
• 재료의 구조 최적화 없이도 유기 반도체 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 확장 가능한 방법을 보여주기 위해.

제안 방법

• 플라스모닉 나노구조를 사용하여 유기 반도체를 진공 전자기장과 강하게 결합시켰다.
• 시스템은 약 0.7 eV의 큰 라비 분리도를 달성하여 강한 빛-물질 상호작용을 나타냈다.
• 이동도 변화를 분리하기 위해 필드효과 트랜지스터 구조에서 전도도를 측정하였다.
• 하이브리드 상태의 파동함수 국소화를 기술하기 위해 이론적 양자 모델을 개발하였다.
• 결합을 최대화하고 전도도 향상을 측정하기 위해 공명 조건을 조정하였다.
• 기타 영향을 분리하기 위해 게이트 전압 제어 하에서 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유기 반도체와 진공 전자기장 간의 강한 결합이 전하 운반자 이동도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 폴라리톤 상태가 유기 반도체의 분자 집합체에 얼마나 국소화되지 않게 퍼지는가?
• RQ3 하이브리드 빛-물질 상태의 형성이 측정 가능한 전도도 증가로 이어지는가?
• RQ4 트랜지스터 기하학적 구조에서 공명 결합 조건에서 필드효과 이동도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 진공 전자기 환경을 설계하는 것이 유기 반도체 성능 향상의 일반적인 전략이 될 수 있는가?

주요 결과

• 강한 결합 상태에서 공명 조건에서 전도도가 약 10배 증가하였다.
• 관측된 전류 증가의 주요 원인은 운반자 농도가 아니라 필드효과 이동도의 급격한 증가였다.
• 이론적 모델링을 통해 하이브리드 상태에서 최대 10^5개 분자에 걸쳐 파동함수의 국소화되지 않은 분포가 확인되었다.
• 약 0.7 eV의 라비 분리도는 시스템 내 강한 빛-물질 결합을 확인했다.
• 증폭 효과는 게이트 전압에 의해 가역적이고 조절 가능했으며, 이는 이동도의 변화에 기인한 것이며 도핑 효과가 아님을 확인했다.
• 이 방법은 재료의 구조를 변경하지 않고도 확장 가능하고 비침습적인 방식으로 유기 반도체 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.