The assessment of intrinsic carrier mobility in disordered polymeric semiconductors is critical for improving optoelectronic devices; however, it is currently limited. We examined how to accurately determine intrinsic, band mobility in doped, semicrystalline polymers using the field-effect and chemical double doping. In particular, chemical doping with a strong molecular oxidant effectively shifts the Fermi energy within the valence band, and field-effect modulation of the carrier density at the Fermi energy determines the field-effect mobility. Therefore, a band-like field-effect mobility exceeding 10 cm2 V−1 s−1 with a negative temperature coefficient was demonstrated for uniaxially aligned semicrystalline polymeric semiconductors, which indicates that the band description derived from the semiclassical Boltzmann transport model is applicable even to semicrystalline polymers with finite structural disorders.
References
1.
S. M.
Sze
, Y.
Li
, and K. K.
Ng
, Physics of Semiconductor Devices
(John Wiley & Sons
, 2021
).2.
H.
Sirringhaus
, Adv. Mater.
26
, 1319
(2014
).3.
A.
Shakouri
, Annu. Rev. Mater. Res.
41
, 399
(2011
).4.
C.
Hamaguchi
and C.
Hamaguchi
, Basic Semiconductor Physics
(Springer
, 2010
), Vol. 9
.5.
S.
Fratini
, M.
Nikolka
, A.
Salleo
, G.
Schweicher
, and H.
Sirringhaus
, Nat. Mater.
19
, 491
(2020
).6.
T.
Kubo
, R.
Häusermann
, J.
Tsurumi
, J.
Soeda
, Y.
Okada
, Y.
Yamashita
, N.
Akamatsu
, A.
Shishido
, C.
Mitsui
, T.
Okamoto
et al., Nat. Commun.
7
, 11156
(2016
).7.
J.
Tsurumi
, H.
Matsui
, T.
Kubo
, R.
Häusermann
, C.
Mitsui
, T.
Okamoto
, S.
Watanabe
, and J.
Takeya
, Nat. Phys.
13
, 994
(2017
).8.
R.
Noriega
, J.
Rivnay
, K.
Vandewal
, F. P.
Koch
, N.
Stingelin
, P.
Smith
, M. F.
Toney
, and A.
Salleo
, Nat. Mater.
12
, 1038
(2013
).9.
H.
Matsui
, D.
Kumaki
, E.
Takahashi
, K.
Takimiya
, S.
Tokito
, T.
Hasegawa
et al., Phys. Rev. B
85
, 035308
(2012
).10.
J.
Rivnay
, R.
Noriega
, J. E.
Northrup
, R. J.
Kline
, M. F.
Toney
, and A.
Salleo
, Phys. Rev. B
83
, 121306
(2011
).11.
Y.
Yamashita
, J.
Tsurumi
, M.
Ohno
, R.
Fujimoto
, S.
Kumagai
, T.
Kurosawa
, T.
Okamoto
, J.
Takeya
, and S.
Watanabe
, Nature
572
, 634
(2019
).12.
S. N.
Patel
, A. M.
Glaudell
, K. A.
Peterson
, E. M.
Thomas
, K. A.
O'Hara
, E.
Lim
, and M. L.
Chabinyc
, Sci. Adv.
3
, e1700434
(2017
).13.
K.
Kang
, S.
Watanabe
, K.
Broch
, A.
Sepe
, A.
Brown
, I.
Nasrallah
, M.
Nikolka
, Z.
Fei
, M.
Heeney
, D.
Matsumoto
et al., Nat. Mater.
15
, 896
(2016
).14.
G.
Zuo
, H.
Abdalla
, and M.
Kemerink
, Phys. Rev. B
93
, 235203
(2016
).15.
D.
Kiefer
, R.
Kroon
, A. I.
Hofmann
, H.
Sun
, X.
Liu
, A.
Giovannitti
, D.
Stegerer
, A.
Cano
, J.
Hynynen
, L.
Yu
et al., Nat. Mater.
18
, 149
(2019
).16.
G.
Zuo
, Z.
Li
, O.
Andersson
, H.
Abdalla
, E.
Wang
, and M.
Kemerink
, J. Phys. Chem. C
121
, 7767
(2017
).17.
A. I.
Hofmann
, R.
Kroon
, S.
Zokaei
, E.
Järsvall
, C.
Malacrida
, S.
Ludwigs
, T.
Biskup
, and C.
Müller
, Adv. Electron. Mater.
6
, 2000249
(2020
).18.
J.
Hynynen
, E.
Järsvall
, R.
Kroon
, Y.
Zhang
, S.
Barlow
, S. R.
Marder
, M.
Kemerink
, A.
Lund
, and C.
Müller
, ACS Macro Lett.
8
, 70
(2019
).19.
Y.
Yamashita
, J.
Tsurumi
, T.
Kurosawa
, K.
Ueji
, Y.
Tsuneda
, S.
Kohno
, H.
Kempe
, S.
Kumagai
, T.
Okamoto
, J.
Takeya
et al., Communications Materials
, 2
, 45
(2021
).20.
I.
McCulloch
, M.
Heeney
, C.
Bailey
, K.
Genevicius
, I.
MacDonald
, M.
Shkunov
, D.
Sparrowe
, S.
Tierney
, R.
Wagner
, W.
Zhang
et al., Nat. Mater.
5
, 328
(2006
).21.
M.
Ito
, Y.
Yamashita
, Y.
Tsuneda
, T.
Mori
, J.
Takeya
, S.
Watanabe
, and K.
Ariga
, ACS Appl. Mater. Interfaces
12
, 56522
(2020
).22.
S.
Schott
, E.
Gann
, L.
Thomsen
, S. H.
Jung
, J. K.
Lee
, C. R.
McNeill
, and H.
Sirringhaus
, Adv. Mater.
27
, 7356
(2015
).23.
L.
Biniek
, S.
Pouget
, D.
Djurado
, E.
Gonthier
, K.
Tremel
, N.
Kayunkid
, E.
Zaborova
, N.
Crespo Monteiro
, O.
Boyron
, N.
Leclerc
et al., Macromolecules
47
, 3871
(2014
).24.
A.
Hamidi Sakr
, L.
Biniek
, J. L.
Bantignies
, D.
Maurin
, L.
Herrmann
, N.
Leclerc
, P.
Lévêque
, V.
Vijayakumar
, N.
Zimmermann
, and M.
Brinkmann
, Adv. Funct. Mater.
27
, 1700173
(2017
).25.
S.
Watanabe
, M.
Ohno
, Y.
Yamashita
, T.
Terashige
, H.
Okamoto
, and J.
Takeya
, Phys. Rev. B
100
, 241201
(2019
).26.
B. I.
Shklovskii
and A. L.
Efros
, Electronic Properties of Doped Semiconductors
, Springer Series in Solid-State Sciences Vol. 45
(Springer-Verlag Berlin Heidelberg
, 1984
).27.
T.
Harada
, H.
Ito
, Y.
Ando
, S.
Watanabe
, H.
Tanaka
, and S.
Kuroda
, Appl. Phys. Express
8
, 021601
(2015
).28.
H.
Ito
, T.
Harada
, H.
Tanaka
, and S.
Kuroda
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
55
, 03DC08
(2016
).29.
H.
Yi
, Y. N.
Gartstein
, and V.
Podzorov
, Sci. Rep.
6
, 23650
(2016
).30.
K.
Masaki
, K.
Taniguchi
, C.
Hamaguchi
, and M.
Iwase
, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
30
, 2734
(1991
).31.
L.
Pfeiffer
, K.
West
, H.
Stormer
, and K.
Baldwin
, Appl. Phys. Lett.
55
, 1888
(1989
).32.
Y.
Chen
, F.
Trier
, T.
Wijnands
, R.
Green
, N.
Gauquelin
, R.
Egoavil
, D. V.
Christensen
, G.
Koster
, M.
Huijben
, N.
Bovet
et al., Nat. Mater.
14
, 801
(2015
).33.
J. H.
Davies
, The Physics of Low-Dimensional Semiconductors
(Cambridge University Press
, 1998
).34.
S.
Wang
, M.
Ha
, M.
Manno
, C. D.
Frisbie
, and C.
Leighton
, Nat. Commun.
3
, 1210
(2012
).35.
I. I.
Fishchuk
, A.
Kadashchuk
, A.
Bhoolokam
, A. D. J.
De Meux
, G.
Pourtois
, M.
Gavrilyuk
, A.
Köhler
, H.
Bässler
, P.
Heremans
, and J.
Genoe
, Phys. Rev. B
93
, 195204
(2016
).36.
J.
Kakalios
and R.
Street
, Phys. Rev. B
34
, 6014
(1986
).37.
J. E.
Northrup
, Phys. Rev. B
76
, 245202
(2007
).38.
B. B. Y.
Hsu
, C. M.
Cheng
, C.
Luo
, S. N.
Patel
, C.
Zhong
, H.
Sun
, J.
Sherman
, B. H.
Lee
, L.
Ying
, M.
Wang
et al., Adv. Mater.
27
, 7759
(2015
).39.
A.
Abutaha
, P.
Kumar
, E.
Yildirim
, W.
Shi
, S. W.
Yang
, G.
Wu
, and K.
Hippalgaonkar
, Nat. Commun.
11
, 1737
(2020
).40.
M.
Cutler
and N. F.
Mott
, Phys. Rev.
181
, 1336
(1969
).41.
N. F.
Mott
and E. A.
Davis
, Electronic Processes in Non-Crystalline Materials
(Oxford University Press
, 2012
).42.
H.
Tanaka
, K.
Kanahashi
, N.
Takekoshi
, H.
Mada
, H.
Ito
, Y.
Shimoi
, H.
Ohta
, and T.
Takenobu
, Sci. Adv.
6
, eaay8065
(2020
).43.
K.
Kanahashi
, Y. Y.
Noh
, W. T.
Park
, H.
Yang
, H.
Ohta
, H.
Tanaka
, and T.
Takenobu
, Phys. Rev. Res.
2
, 043330
(2020
).© 2021 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
