umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
On the asymmetric evolution of the optical properties of a conjugated polymer during electrochemical p- and n-type doping
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics. (The Organic Photonics and Electronics Group)
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics. (The Organic Photonics and Electronics Group)
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics. (The Organic Photonics and Electronics Group)
2017 (English)In: Journal of Materials Chemistry C, ISSN 2050-7526, E-ISSN 2050-7534, Vol. 5, no 19, p. 4706-4715Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

We report on the in situ measured evolution of the spectral complex refractive index of a prototypical conjugated polymer, a phenyl-substituted poly (para-phenylenevinylene) copolymer (Ph-PPV, “Super Yellow”), during electrochemical p- and n-type doping. We find that the real part of the refractive index is lowered in a significant and continuous fashion over essentially the entire visible range with doping, as exemplified by a drop in the peak value at ∼480 nm from 2.1 for pristine Ph-PPV to 1.8 at a p-type doping concentration of 0.2 dopants per repeat unit and an n-type doping concentration of 0.6 dopants per repeat unit. The imaginary part features a concomitant distinct bleaching of the high-energy π–π* transition and the emergence of a low-energy polaron band. Interestingly, we observe that the optical response of Ph-PPV to p-type and n-type doping is highly asymmetric, with the former resulting in much stronger changes and a distinct blue-shift of all optical transitions. We tentatively attribute this difference in response to larger effective size of the p-type polaron compared to the n-type polaron. We anticipate that the presented results should be of value for the rational design of emerging optical devices that utilize the doping capacity of conjugated polymers.

Place, publisher, year, edition, pages
Royal Society of Chemistry, 2017. Vol. 5, no 19, p. 4706-4715
National Category
Materials Chemistry Physical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-135968DOI: 10.1039/c7tc01022bISI: 000401712700013OAI: oai:DiVA.org:umu-135968DiVA, id: diva2:1115625
Available from: 2017-06-27 Created: 2017-06-27 Last updated: 2019-02-05Bibliographically approved
In thesis
1. On the operation of light-emitting electrochemical cells
Open this publication in new window or tab >>On the operation of light-emitting electrochemical cells
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

We are in the midst of a technological revolution that permeates nearly all human activities; artificial light is one of the most visible contributors in this societal change. If more efficient, green, and versatile light sources can be developed, they might improve the life of millions of people around the world while causing minimal damage to our climate and environment. The unique operational mechanism of the light-emitting electrochemical cell (LEC) makes it an ideal fit for some unconventional and emerging uses of light, in for example medicine and security.

By exploiting this operational mechanism, in which mobile ions enable electrochemical doping of a luminescent polymer, we have designed and fabricated new bilayer LEC architectures. The bilayer LEC features patterned light emission that is easily adjustable during fabrication, and that can be configured to suit new applications of light. Given the light-emitting nature of the LEC, it is somewhat surprising that the optical understanding of its operation is rather limited. To fill this knowledge gap, we investigate how the optical properties of the luminescent polymer respond to electrochemical doping. We find that the complex-refractive index spectrum in the active layer of an LEC, as a direct result of the doping, varies in both space and time. The thin-film structure of an LEC implies that computational predictions of its luminous output need to consider internal reflections and interference. Finally, we implement a doping dependent optical thin-film simulation model. It enables us to precisely replicate the experimental luminance and angle-dependent emission spectrum for a range of LECs with different thicknesses. Using the model we can also identify and quantify many of the different optical loss mechanisms in LECs, which has not previously been done. The insights that we have collected on the path towards our present model will be useful for computational determination of device parameters that are otherwise difficult to acquire.

The improved understanding of the optical operation of LECs is important for the maturation of the technology, as it facilitates formulation of relevant and accurate research questions. Hopefully, our results will accelerate the development of the field, so that useful products based on this technology can become available in the not too distant future.

Abstract [sv]

Just nu pågår en teknologisk revolution som genomsyrar nära nog alla samhällsfunktioner, och där artificiellt ljus har en påfallande viktig roll. Nya ljuskällor, som är mer miljövänliga, effektiva och mångsidiga, skulle kunna förbättra livskvaliten för miljoner människor över hela världen, utan att för den skull skapa problem för vår miljö och vårt klimat. Den ljusemitterande elektrokemiska cellen (LEC) är en teknik som fungerar på ett unikt sätt. Det gör att den är lämplig för nya och okonventionella användningsområden av ljus, exempelvis inom medicin och säkerhetsprodukter.

Vi har kunnat designa och tillverka en ny sorts dubbellagers-LEC genom att utnyttja den interna funktionen i en LEC. Den innebär att rörliga joner möjliggör elektrokemiska oxidations- och reduktionsprocesser (dopning) av en lysande polymer. En dubbellagers-LEC lyser i mönster som enkelt kan anpassas utefter önskemål, och skulle kunna användas i nya sorters ljusapplikationer. Med tanke på att en LEC är en lysande komponent är förståelsen för dess optik förvånansvärt begränsad. För att förbättra dessa kunskaper börjar vi med att undersöka hur den lysande polymerens optiska egenskaper förändras när den dopas. Vi finner att dess optiska egenskaper varierar i tid och rum i det aktiva skiktet i en LEC, som en direkt följd av dopningen. För att sedan med hjälp av de optiska egenskaperna kunna beräkna hur mängden ljus påverkas, måste vi också ta hänsyn till att ljus i tunna skikt kan reflekteras vid gränsytor och interagera med sig själv. Slutligen implementerar vi en dopningsberoende optisk beräkningsmodell för tunna skikt, och lyckas återskapa den experimentellt uppmätta luminansen och de vinkelberoende ljusspektrumen för en serie LECer med olika tjocklek. Utifrån modellen kan vi också identifiera och kvantifiera många av de olika optiska förlustkanalerna i en LEC, vilket inte gjorts tidigare. Vägen fram till den nuvarande modellen har bjudit oss på en rad insikter som gör att vi beräkningsmässigt kan uppskatta komponentegenskaper som annars skulle förbli okända, då de inte går att mäta med direkta metoder.

Den förbättrade optiska förståelsen för LEC-tekniken är viktig för forskningen inom fältet. Våra resultat kan förhoppningsvis accelerera utvecklingen mot bra och användbara produkter, så att dessa blir tillgängliga inom en inte alltför avlägsen framtid.

Place, publisher, year, edition, pages
Umeå: Umeå Universitet, 2019. p. 63
Keywords
Artificial Light, Organic Electronics, Light-emitting Electrochemical Cells, Electrochemical Doping, Thin-film Optical Model, Optical Modes
National Category
Nano Technology Other Physics Topics Condensed Matter Physics
Identifiers
urn:nbn:se:umu:diva-156093 (URN)978-91-7855-000-5 (ISBN)
Public defence
2019-03-01, Lilla hörsalen, KB.E3.01, KBC-huset, Umeå, 09:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research Swedish Energy AgencyÅForsk (Ångpanneföreningen's Foundation for Research and Development)Knut and Alice Wallenberg FoundationThe Kempe FoundationsSwedish Research Council
Available from: 2019-02-08 Created: 2019-02-05 Last updated: 2019-02-06Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full text

Authority records BETA

Lanz, ThomasLindh, E. MattiasEdman, Ludvig

Search in DiVA

By author/editor
Lanz, ThomasLindh, E. MattiasEdman, Ludvig
By organisation
Department of Physics
In the same journal
Journal of Materials Chemistry C
Materials ChemistryPhysical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 305 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf