We report on infrared (IR) absorption and dc electrical measurements of thin films of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) that have been modified by a fluoroalkyl trichlorosilane (FTS). Spectra for FTS-treated films were compared to data for electrostatically-doped P3HT in an organic field-effect transistor (OFET). The appearance of a prominent polaron band in mid-IR absorption data for FTS-treated P3HT supports the assertion of hole doping via a charge-transfer process between FTS molecules and P3HT. In highly-doped films with a significantly enhanced polaron band, we find a monotonic Drude-type absorption in the far-IR, signifying delocalized states. Utilizing a simple capacitor model of an OFET, we extracted a carrier density for FTS-treated P3HT from the spectroscopic data. With carrier densities reaching 1014holes/cm2, our results demonstrate that FTS doping provides a unique way to study the metal-insulator transition in polythiophenes.

1.
A. J.
Heeger
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
681
(
2001
).
3.
M. J.
Panzer
and
C. D.
Frisbie
,
Adv. Funct. Mater.
16
,
1051
(
2006
).
4.
H.
Yang
,
S. W.
LeFevre
,
C. Y.
Ryu
, and
Z.
Bao
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
172116
(
2007
).
5.
C. H.
Ahn
,
J. -M.
Triscone
, and
J.
Mannhart
,
Nature (London)
424
,
1015
(
2003
).
6.
C. H.
Ahn
,
A.
Bhattacharya
,
M.
Di Ventra
,
J. N.
Eckstein
,
C. D.
Frisbie
,
M. E.
Gershenson
,
A. M.
Goldman
,
I. H.
Inoue
,
J.
Mannhart
,
A. J.
Millis
,
A. F.
Morpurgo
,
D.
Natelson
, and
J. -M.
Triscone
,
Rev. Mod. Phys.
78
,
1185
(
2006
).
7.
G.
Brocks
,
J.
van den Brink
, and
A. F.
Morpurgo
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
146405
(
2004
).
8.
A. S.
Dhoot
,
J. D.
Yuen
,
M.
Heeney
,
I.
McCulloch
,
D.
Moses
, and
A. J.
Heeger
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
16
,
1051
(
2006
).
9.
J. D.
Yuen
,
A. S.
Dhoot
,
E. B.
Namdas
,
N. E.
Coates
,
M.
Heeney
,
I.
McCulloch
,
D.
Moses
, and
A. J.
Heeger
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
14367
(
2007
).
10.
M. J.
Panzer
and
C. D.
Frisbie
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
6599
(
2007
).
11.
L.
Herlogsson
,
Y. -Y.
Noh
,
N.
Zhao
,
X.
Crispin
,
H.
Sirringhaus
, and
M.
Berggren
,
Adv. Mater.
20
,
4708
(
2008
).
12.
T.
Mills
,
L. G.
Kaake
, and
X. -Y.
Zhu
,
Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process.
95
,
291
(
2009
).
13.
M. F.
Calhoun
,
J.
Sanchez
,
D.
Olaya
,
M. E.
Gershenson
, and
V.
Podzorov
,
Nature Mater.
7
,
84
(
2008
).
14.
C. Y.
Kao
,
B.
Lee
,
L. S.
Wielunski
,
M.
Heeney
,
I.
McCulloch
,
E.
Garfunkel
,
L. C.
Feldman
, and
V.
Podzorov
,
Adv. Funct. Mater.
19
,
1906
(
2009
).
15.
M.
Pope
and
C. E.
Swenberg
,
Electronic Processes in Organic Crystals and Polymers
(
Oxford University Press
,
New York
,
1999
).
16.
Z. Q.
Li
,
G. M.
Wang
,
N.
Sai
,
D.
Moses
,
N. C.
Martin
,
M.
Di Ventra
,
A. J.
Heeger
, and
D. N.
Basov
,
Nano Lett.
6
,
224
(
2006
).
17.
Z.
Bao
,
A.
Dodabalapur
, and
A. J.
Lovinger
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
4108
(
1996
).
18.
N.
Sai
,
Z. Q.
Li
,
M. C.
Martin
,
D. N.
Basov
, and
M.
Di Ventra
,
Phys. Rev. B
75
,
045307
(
2007
).
19.
Z.
Bao
and
J.
Locklin
,
Organic Field-Effect Transistors
(
Taylor & Francis
,
Boca Raton
,
2007
).
20.
A.
Assadi
,
G.
Gustaffson
,
M.
Willander
,
C.
Svensson
, and
O.
Ingans
,
Synth. Met.
37
,
123
(
1990
).
21.
P. J.
Brown
,
H.
Sirringhaus
,
M.
Harrison
,
M.
Shkunov
, and
R. H.
Friend
,
Phys. Rev. B
63
,
125204
(
2001
).
22.
L.
Bürgi
,
R. H.
Friend
, and
H.
Sirringhaus
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
1482
(
2003
).
23.
A. S.
Dhoot
,
G. M.
Wang
,
D.
Moses
, and
A. J.
Heeger
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
246403
(
2006
).
24.
D.
Braga
and
G.
Horowitz
,
Adv. Mater.
21
,
1473
(
2009
).
25.
Th. B.
Singh
and
N. S.
Sariciftci
,
Annu. Rev. Mater. Res.
36
,
199
(
2006
).
26.
Z. Q.
Li
,
V.
Podzorov
,
N.
Sai
,
M. C.
Martin
,
M. E.
Gershenson
,
M.
Di Ventra
, and
D. N.
Basov
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
016403
(
2007
).
27.
M.
Fischer
,
M.
Dressel
,
B.
Gompf
,
A. K.
Tripathi
, and
J.
Pflaum
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
182103
(
2006
).
28.
T. J.
Lenk
,
V. M.
Hallmark
,
C. L.
Hoffmann
,
J. F.
Rabolt
,
D. G.
Castner
,
C.
Erdelen
, and
H.
Ringsdorf
,
Langmuir
10
,
4610
(
1994
).
29.
M. -W.
Tsao
,
C. L.
Hoffmann
,
J. F.
Rabolt
,
H. E.
Johnson
,
D. G.
Castner
,
C.
Erdelen
, and
H.
Ringsdorf
,
Langmuir
13
,
4317
(
1997
).
30.
F.
Sinapi
,
T.
Issakova
,
J.
Delhalle
, and
Z.
Mekhalif
,
Thin Solid Films
515
,
6833
(
2007
).
31.
X. M.
Jiang
,
R.
Österbacka
,
O.
Korovyanko
,
C. P.
An
,
B.
Horovitz
,
R. A. J.
Janssen
, and
Z. V.
Vardeny
,
Adv. Funct. Mater.
12
,
587
(
2002
).
32.
R.
Österbacka
,
X. M.
Jiang
,
C. P.
An
,
B.
Horovitz
, and
Z. V.
Vardeny
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
226401
(
2002
).
33.
A. J.
Heeger
,
S.
Kivelson
,
J. R.
Schrieffer
, and
W. -P.
Su
,
Rev. Mod. Phys.
60
,
781
(
1988
).
34.
Y. H.
Kim
and
A. J.
Heeger
,
Phys. Rev. B
40
,
8393
(
1989
).
35.
B.
Horovitz
,
Solid State Commun.
41
,
729
(
1982
).
36.
B.
Horovitz
,
R.
Österbacka
, and
Z. V.
Vardeny
,
Synth. Met.
141
,
179
(
2004
).
37.
R.
Österbacka
,
C. P.
An
,
X. M.
Jiang
, and
Z. V.
Vardeny
,
Science
287
,
839
(
2000
).
38.
Y. H.
Kim
,
D.
Spiegel
,
S.
Hotta
, and
A. J.
Heeger
,
Phys. Rev. B
38
,
5490
(
1988
).
39.
M.
Dressel
and
G.
Grüner
,
Electrodynamics of Solids
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
2002
).
40.
M. M.
Qazilbash
,
M.
Brehm
,
G. O.
Andreev
,
A.
Frenzel
,
P. -C.
Ho
,
B. -G.
Chae
,
B. -J.
Kim
,
S. J.
Yun
,
H. -T.
Kim
,
A. V.
Balatsky
,
O. G.
Shpyrko
,
M. B.
Maple
,
F.
Keilmann
, and
D. N.
Basov
,
Phys. Rev. B
79
,
075107
(
2009
).
41.
S. A.
Brazovskii
and
N. N.
Kirova
,
JETP Lett.
33
,
4
(
1981
).
42.
H.
Sirringhaus
,
P. J.
Brown
,
R. H.
Friend
,
M. M.
Nielson
,
K.
Bechgaard
,
B. M. W.
Langeveld-Voss
,
A. J. H.
Spiering
,
R. A. J.
Janssen
,
E. W.
Meijer
,
P.
Herwig
, and
D. M.
de Leeuw
,
Nature (London)
401
,
685
(
1999
).
43.
M.
Wohlgenannt
,
X. M.
Jiang
, and
Z. V.
Vardeny
,
Phys. Rev. B
69
,
241204
(R) (
2004
).
44.
V.
Cataudella
,
G.
De Filippis
, and
G.
Iadonisi
,
Eur. Phys. J. B
12
,
17
(
1999
).
45.
S.
Ciuchi
and
S.
Fratini
,
Phys. Rev. B
79
,
035113
(
2009
).
46.
K.
Lee
,
S.
Cho
,
S. H.
Park
,
A. J.
Heeger
,
C. -W.
Lee
, and
S. -H.
Lee
,
Nature (London)
441
,
65
(
2006
).
You do not currently have access to this content.