Tout homojonction organique PEDOT:PSS p

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 12485 (2022) Citer cet article

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Il est bien connu que le poly(3,4-éthylène dioxythiophène)-poly(styrènesulfonate) (PEDOT:PSS) n'est qu'un matériau de type p, et il est donc difficile de fabriquer tous les dispositifs p–n à base de PEDOT:PSS. Ici, et pour la première fois, nous introduisons un nouveau dispositif à diode p–n à homojonction basé uniquement sur des couches minces PEDOT:PSS. La diode présente un comportement I – V non linéaire avec un rapport de redressement de 3 et une tension d'activation ~ 1,4 V.

Le polymère conducteur poly (3,4-éthylène dioxythiophène) poly (styrène sulfonate) (PEDOT: PSS) est généralement utilisé comme matériau de transport de trous de type p dans les cellules solaires polymères et les diodes Schottky à hétérojonction en raison de sa transparence optique élevée, en particulier dans la lumière visible1,2. Cependant, la conductivité électrique du p-PEDOT: PSS vierge nécessite une amélioration en raison de sa structure naturelle noyau-coque. Il est bien connu que les grains de PEDOT:PSS sont généralement entourés par le PSS3 électriquement isolant. Des travaux antérieurs ont discuté de l'amélioration possible de la conductivité p-PEDOT:PSS en utilisant, par exemple, des solvants organiques4. Très peu de travaux ont rendu compte du développement de films PEDOT: PSS de type n5, 6, 7, même avec un succès limité dans l'utilisation de n-PEDOT: PSS dans des dispositifs à homojonction efficaces comme une simple diode p – n. Par exemple, Lu et al., ont utilisé du PEDOT:PSS traité à l'isopropanol comme couche de type n dans un dispositif à hétérojonction avec un matériau p-(P3HT: PCBM) BHJ-PSC8. En outre, Chen et al., ont obtenu n-PEDOT:PSS en enduisant par centrifugation un solvant PEIE sur une couche de p-PEDOT:PSS9. D'autre part, Kim et al., ont converti le film p-PEDOT:PSS en type n pour fonctionner comme des matériaux thermoélectriques en traitant simplement p-PEDOT:PSS avec 40% en poids de CuCl210.

Sami et al. ont également fabriqué une cellule solaire à couche mince basée sur l'hétérostructure n-PEDOT:PSS/p-CuInGaSe2. Pourtant, tous ces travaux n'ont pas donné d'informations sur les propriétés physiques de la couche n-PEDOT: PSS résultante ou sur les raisons de la conversion PEDOT: PSS du type p au type n ou sur la possibilité de fabriquer tous les dispositifs d'homojonction PEDOT: PSS. Ici, nous rapportons les détails du processus de conversion p-PEDOT:PSS en n-PEDOT:PSS où le solvant isopropanol a été utilisé pour cette conversion et s'est avéré très influent sur les propriétés physiques de la couche n-PEDOT:PSS résultante. Il est important de noter que le n-PEDOT:PSS développé a été utilisé dans une nouvelle structure de diode à homojonction de FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu où des couches minces PEDOT de type p et n étaient uniquement utilisées.

PEDOT:PSS avec une concentration de 1,1 % dans H2O (numéro de modèle : 739324) et de l'alcool isopropanol (ISO) (99,5 %, extra sec) ont été obtenus auprès de Sigma-Aldrich et utilisés directement sans autre purification. Des films minces PEDOT:PSS ont été préparés comme suit : 1 ml de solution PEDOT:PSS a été mélangé avec 1 ml d'ISO (v:v) sous agitation à 55 °C. Après cela, le mélange résultant (c'est-à-dire PEDOT:PSS/ISO) a été déposé sur un substrat de verre nettoyé (1 cm2 × 1 cm2) à 120 °C pendant 2 min à l'aide d'un applicateur de film avec une vitesse de 7 mm/s (modèle COATMASTER 510XL). Le film PEDOT:PSS/ISO obtenu a été recuit et durci pendant 10 min à 120 °C. Pour fabriquer la diode à homojonction PEDOT:PSS, la structure de FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu a été réalisée en : (1) déposant 20 μL de solution PEDOT:PSS vierge sur un substrat FTO à 120 °C. Ensuite, le film a été laissé sécher sous atmosphère de N2 pendant 5 min ; enfin, le film obtenu a été recuit à 120°C dans une étuve à vide pendant 10 min ; (2) une solution de 20 μL de PEDOT:PSS, mélangée à de l'ISO dans un rapport volumique (1:1) (v:v), a été déposée sur la couche de p-PEDOT:PSS p-pristine en utilisant la même procédure de séchage et de recuit. Enfin, un contact ohmique de métal Cu d'environ 50 nm d'épaisseur a été thermiquement évaporé et déposé sur la couche n-PEDOT: PSS comme électrode supérieure.

La figure 1 montre les mesures du microscope à force atomique (AFM) où les images de phase des films vierges et PEDOT:PSS/ISO sont comparées. Pour le film PEDOT:PSS vierge, Fig. 1a, on remarque que l'image de phase montre clairement une faible séparation de phase entre les chaînes PEDOT et PSS. Au contraire, pour le PEDOT de type n: PSS / ISO, Fig. 1b, l'image de phase montre une forte séparation de phase entre le PEDOT et les chaînes PSS. De plus, les images AFM de la Fig. 1b prouvent une taille de grain beaucoup plus grande et des chaînes PEDOT beaucoup plus interconnectées dans le cas du film n-PEDOT: PSS. De plus, le film n-PEDOT:PSS/ISO présente une rugosité de surface de 5,3 nm contre 14,8 nm pour le film p-PEDOT:PSS vierge. Nous attribuons l'amélioration de la rugosité de surface du film à la réduction observée et à la séparation du PSS du PEDOT dans la structure. Il est très probable que le groupe OH de l'isopropanol contrôle le rôle du PSS et réduit ainsi le caractère hydrophobe du PEDOT. Ces images AFM confirment que l'isopropanol joue un rôle important dans le processus de séparation de phases entre le PEDOT conducteur et le PSS isolant au sein du PEDOT:PSS11,12,13. De plus, et en raison des propriétés hydrophiles de l'isopropanol, les chaînes PSS séparées en phase sont plus susceptibles d'être dissoutes et donc retirées de la surface du film PEDOT:PSS.

Images de phase AFM de films PEDOT:PSS sans (a) et avec traitement à l'isopropanol (b). Toutes les images sont de 5 µm × 5 µm.

La figure 2a montre la mesure de diffraction des rayons X (XRD) des films p-PEDOT:PSS vierges déposés et des films PEDOT:PSS/ISO (1:1) de type n. La XRD du p-PEDOT:PSS vierge montre deux pics proéminents à 2θ = 19,4° et 2θ = 26°, qui sont attribués au PSS et à la distance d'empilement de l'anneau de chaîne interne PEDOT avec le plan cristallographique (020) 14, respectivement.

( a ) modèle XRD et ( b ) spectres de transmission de films vierges et PEDOT: PSS / ISO. Les encarts montrent la bande interdite estimée.

Pour le n-PEDOT:PSS/ISO (1:1), il est clair que le pic XRD lié au PSS est diminué, ce qui confirme une séparation significative entre le PSS et le PEDOT en raison de l'interaction avec l'isopropanol et/ou de la dissolution de la chaîne PSS séparée en phase dans l'isopropanol. Les mesures de transmission optique des films p-PEDOT: PSS et n-PEDOT: PSS vierges ont été effectuées à l'aide d'un spectrophotomètre UV – Vis-NIR (Hitachi modèle UH 5700) (Fig. 2b). On remarque que la transmittance du film n-PEDOT:PSS/ISO a été améliorée par rapport à celle du p-PEDOT:PSS vierge. Une telle amélioration peut être attribuée à un meilleur alignement des chaînes polymères lors de l'interaction avec l'isopropanol où les chaînes prennent une structure quinoïde. Alors que pour le p-PEDOT:PSS, les défauts et les désordres le long de la chaîne polymère de la structure benzoïde limitent le chemin sans porteur. En outre, la rugosité du film joue un rôle dans les propriétés optiques des films où le film n-PEDOT: PSS affiche une rugosité de surface bien inférieure à celle du film p-PEDOT: PSS. La bande interdite optique (Eg) des films PEDOT:PSS a été calculée en traçant (Ahν)2 en fonction de (hν), où "A" est l'absorbance optique, "h" la constante de Planck, "ν" est la fréquence. La partie linéaire du tracé (Ahν) 2 – (hν) a été extrapolée dans la région de la bande interdite, et l'Eg a été déterminé à 3, 38 eV et 3, 1 eV pour les films p-PEDOT: PSS et n-PEDOT: PSS, respectivement (Fig. 2b, encadré).

Des mesures à effet Hall ont été effectuées où des informations sur la mobilité µ, la résistivité ρ, la concentration de porteurs n, la conductivité σ et les informations sur le coefficient de Hall RH ont été collectées. Le système à effet Hall Ecopia (modèle : HMS-3000) a été utilisé lorsqu'une intensité de champ magnétique B = 0,53 T a été utilisée pour les mesures. Les résultats de l'effet Hall à température ambiante sont résumés dans le tableau 1. Comme on le voit, le film PEDOT:PSS/ISO présente un caractère de type n avec une augmentation substantielle de la mobilité et de la conductivité par rapport à celle du film p-PEDOT:PSS vierge qui peut être attribuée à la séparation entre le PSS et le PEDOT et la dissolution de la chaîne PSS lors de l'interaction avec l'isopropanol. De plus, la dépendance de la mobilité des porteurs de charge à la température est mesurée et les données sont présentées à la Fig. 3. Nous remarquons que la mobilité augmente avec la température, indiquant le comportement des semi-conducteurs, jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur maximale à ~ 350 K. Une telle augmentation de la mobilité peut être attribuée à un meilleur alignement des chaînes dans la structure PEDOT:PSS en raison du chauffage thermique15. Une augmentation supplémentaire de la température conduit à des interactions de phonons qui entraînent une augmentation de la diffusion des électrons et réduisent ainsi la mobilité. Nous avons utilisé le film n-PEDOT:PSS/ISO développé dans un nouveau dispositif à structure de diode p–n. Expérimentalement, nous avons fabriqué un dispositif FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu en coulant d'abord une couche d'environ 2,3 µm d'épaisseur d'encre p-PEDOT:PSS sur un substrat en verre revêtu de FTO. Ensuite, une couche d'environ 2, 9 µm d'épaisseur de n-PEDOT: PSS a également été coulée en goutte sur le film p-PEDOT: PSS déposé à 120 ° C pendant 10 min. La figure 4 montre l'image SEM en coupe transversale expérimentale du dispositif FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS. L'image prouve que la couche p-PEDOT:PSS s'étale en douceur sur le substrat FTO sans chevauchement ni dislocations à l'interface p-n. Un métal Cu a été utilisé comme électrode supérieure tandis que le substrat FTO a été utilisé comme contact inférieur. Nous avons examiné la courbe I – V de l'électrode Cu et de la couche n-PEDOT: PSS pour valider que le comportement de la diode n'est corrélé qu'à la diode PEDOT: PSS préparée à base d'homojonction.

Dépendance à la température de la mobilité des films p-PEDOT:PSS et n-PEDOT:PSS vierges.

Image en coupe SEM de la diode p–n à homojonction PEDOT:PSS fabriquée (p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS).

Comme on le voit sur la figure 5a, la courbe I – V mesurée montre une relation linéaire et confirme ainsi un contact ohmique entre l'électrode Cu et la couche n-PEDOT: PSS. Un comportement similaire a été trouvé pour le FTO et le p-PEDOT: PSS (Fig. 5b). Les performances de l'appareil ont été étudiées à l'aide de mesures (I–V). La figure 5c présente la courbe I – V obtenue où les paramètres de l'appareil sont extraits. L'appareil présente un facteur de rectification raisonnable de 3. Bien que ce rapport de rectification soit inférieur à celui des diodes à hétérojonction inorganiques typiques (par exemple, mélanges SnO2/PEDOT:PSS/PVP et PANI:PEDOT:PSS)16,17, il reste néanmoins supérieur à celui des diodes à hétérojonction organique/inorganique (par exemple, PEDOT:PSS-PVA/n-Si et Al/5,14-dihydro-5,7,12,14-tétraazapentacènes (DHTAP))18,19. Pour améliorer le rapport de redressement, on peut envisager : (1) d'améliorer le facteur d'idéalité de la diode en réduisant la non-homogénéité de l'épaisseur du film PEDOT : PSS et les irrégularités de la hauteur de la barrière en optimisant la technique de dépôt de couches minces ; (2) améliorer l'efficacité de l'injection des porteurs, par exemple en diminuant la différence énergétique entre la fonction de travail de l'électrode et l'orbitale moléculaire la plus occupée PEDOT:PSS ; (3) concevoir l'interface p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS pour un transport plus efficace des électrons et des trous.

(un). Courbe I – V des couches (a) Cu électrode et n-PEDOT:PSS et (b) FTO et p-PEDOT:PSS. ( c ) Courbe I – V de la diode homojonction FTO / p-PEDOT: PSS / n-PEDOT: PSS / Cu avec une surface de 0, 5 cm2. L'encart est la structure schématique de l'appareil.

Un simple dispositif à diode p-n organique non linéaire à homojonction basé sur des films PEDOT:PSS a été fabriqué et a prouvé un rapport de rectification de 3. Ces résultats pourraient stimuler de nouvelles recherches sur des dispositifs électroniques organiques/organiques ou organiques/inorganiques où n-PEDOT:PSS/ISO peut jouer un nouveau rôle20,21,22,23.

Les données présentées dans cette étude sont disponibles sur demande auprès de l'auteur correspondant.

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Département de physique, Institut des sciences fondamentales et appliquées, Université Égypte-Japon des sciences et technologies, Alexandrie, Égypte

S. Aboulhadeed & M. Ghali

Département de chimie, Institut des sciences fondamentales et appliquées, Université Égypte-Japon des sciences et technologies, Alexandrie, Égypte

MM Ayad

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S.Aboulhadeed

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M. Ghali

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MM Ayad

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SA a fait le travail expérimental et a analysé les données MG a écrit le texte principal du manuscrit et a supervisé l'ensemble du travail MA a révisé le manuscrit.

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Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Aboulhadeed , S. , Ghali , M. & Ayad , M. M. Toutes les homojonctions organiques PEDOT: diode p–n PSS. Sci Rep 12, 12485 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16432-8

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Reçu : 11 mai 2022

Accepté : 11 juillet 2022

Publié: 21 juillet 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-16432-8

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