Carrier transport in PbS nanocrystal conducting polymer composites

In this letter we report the carrier mobilities in an inorganic nanocrystal: conducting polymer composite. The composite material in question (lead sulphide nanocrystals in the conducting polymer poly [2-methoxy-5-(2(')-ethyl-hexyloxy)-p-phenylene vinylene] (MEH-PPV) was made using a single-pot, surfactant-free synthesis. Mobilties were measured using time of flight techniques. We have found that the inclusion of PbS nanocrystals in MEH-PPV both balances and markedly increases the hole and electron mobilities-the hole mobility is increased by a factor of similar to 10(5) and the electron mobility increased by similar to 10(7) under an applied bias of 5 kV cm(-1). These results explain why dramatic improvements in electrical conductivity and photovoltaic performance are seen in devices fabricated from these composites.

Chemical modification of smectite clays

Today, speciality use organoclays are being developed for an increasingly large number of specific applications. Many of these, including use in cosmetics, polishes, greases and paints, require that the material be free from abrasive impurities so that the product retains a smooth `feel'. The traditional `wet' method preparation of organoclays inherently removes abrasives naturally present in the parent mineral clay, but it is time-consuming and expensive. The primary objective of this thesis was to explore the alternative `dry' method (which is both quicker and cheaper but which provides no refining of the parent clay) as a process, and to examine the nature of the organoclays produced, for the production of a wide range of commercially usable organophilic clays in a facile way. Natural Wyoming bentonite contains two quite different types of silicate surface (that of the clay mineral montmorillonite and that of a quartz impurity) that may interact with the cationic surfactant added in the `dry' process production of organoclays. However, it is oil shale, and not the quartz, that is chiefly responsible for the abrasive nature of the material, although air refinement in combination with the controlled milling of the bentonite as a pretreatment may offer a route to its removal. Ion exchange of Wyoming bentonite with a long chain quaternary ammonium salt using the `dry' process affords a partially exchanged, 69-78%, organoclay, with a monolayer formation of ammonium ions in the interlayer. Excess ion pairs are sorbed on the silicate surfaces of both the clay mineral and the quartz impurity phases. Such surface sorption is enhanced by the presence of very finely divided, super paramagnetic, Fe2O3 or Fe(O)(OH) contaminating the surfaces of the major mineral components. The sorbed material is labile to washing, and induces a measurable shielding of the 29Si nuclei in both clay and quartz phases in the MAS NMR experiment, due to an anisotropic magnetic susceptibility effect. XRD data for humidified samples reveal the interlamellar regions to be strongly hydrophobic, with the by-product sodium chloride being expelled to the external surfaces. Many organic cations will exchange onto a clay. The tetracationic cyclophane, and multipurpose receptor, cyclobis(paraquat-p-phenylene) undergoes ion exchange onto Wyoming bentonite to form a pillared clay with a very regular gallery height. The major plane of the cyclophane is normal to the silicate surfaces, thus allowing the cavity to remain available for complexation. A series of group VI substituted o-dimethoxybenzenes were introduced, and shown to participate in host/guest interactions with the cyclophane. Evidence is given which suggests that the binding of the host structure to a clay substrate offers advantages, not only of transportability and usability but of stability, to the charge-transfer complex which may prove useful in a variety of commercial applications. The fundamental relationship between particle size, cation exchange capacity and chemical composition of clays was also examined. For Wyoming bentonite the extent of isomorphous substitution increases with decreasing particle size, causing the CEC to similarly increase, although the isomorphous substitution site: edge site ratio remains invarient throughout the particle size range studied.

Synthesis and characterization of some Mn(II) and Mn(III) complexes of N,N′-o-phenylenebis(salicylideneimine)(LH2) and N,N′-o-phenylenebis(5-bromosalicylideneimine)(L′H2). Crystal structures of [Mn(L)(H2O)(ClO4)], [Mn(L)(NCS)] and an infinite linear chain of [Mn(L)(OAc)]

A series of manganese(II) [Mn(L)] and manganese(III) [Mn(L)(X)] (X = ClO4, OAc, NCS, N3, Cl, Br and I) complexes have been synthesized from Schiff base ligands N,N′-o- phenylenebis(salicylideneimine)(LH2) and N,N′-o-phenylenebis(5- bromosalicylideneimine)(L′H2) obtained by condensation of salicylaldehyde or 5-Br salicylaldehyde with o-phenylene-diamine. The complexes have been characterized by the combination of IR, UV-Vis spectroscopy, magnetic measurements and electrochemical studies. Three manganese(III) complexes 3 [Mn(L)(ClO4)(H2O)], 5 [Mn(L)(OAc)] and 13 [Mn(L)(NCS)] have been characterized by X-ray crystallography. The X-ray structures show that the manganese(III) is hexa-coordinated in 3, it is penta-coordinated in 13, while in 5 there is an infinite chain where the MnL moieties are connected by acetate ions acting as bridging bidentate ligand. The cyclic voltammograms of all the manganese(III) complexes exhibit two reversible/quasi-reversible/ irreversible responses assignable to Mn(III)/Mn(II) and Mn(IV)/Mn(III) couples. It was observed that the ligand L′H2 containing the 5-bromosal moiety always stabilizes the lower oxidation states compared to the corresponding unsubstituted LH2. Cyclic voltammograms of the manganese(II) complexes (1 and 2) exhibit a quasi-reversible Mn(III)/Mn(II) couple at E1/2 -0.08 V for 1 and 0.054 V for 2. © 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Electrical characterization of pn-junctions of PPV and silicon

Poly(phenylene vinylene) (PPV) grown via the precursor route, deposited on top of heavily doped n-type silicon, was studied using electrical measurement techniques. The results are compared to PPV grown via deposition of soluble derivative (MEH-PPV). The two types are very similar. They have comparable free carrier densities and both show minority-carrier effects. The activation energy found via the loss tangent is 0.13 eV. The effect of exposure to oxygen is visible in the capacitance and the current.