Sequential Doping to Ionically and Electronically Conduct Non-Conjugated Organic Radicals

Abstract

Mixed conduction through ion and electron pathways in organic radicals has recently received great attention due to its high conductivity and excellent processability for applications in organic electronic devices of the future. Although most of the previous work has focused on polymeric systems, the study of mixed conduction of small molecule radicals has received less attention despite its great potential. Here, we present a study of the mixed conduction behavior of such a system, 4-substituted 2,2,6,6-tetramethylpiperidyl-1-oxy (4-hydroxy TEMPO, HT), through sequential co-doping of electronic dopant, 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ, FT), and ionic dopant, lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide salt (LiTFSI, LT). We confirmed that the coupling between the components is important in determining the overall conductivity, and the maximum conductivity of the HT/LT/FT mixture observed was ≈10−4 S cm−1. An organized study is provided to link the observed mixed conductivities with doping-related physical changes. These findings are considered to provide a starting point for studying mixed conduction behavior in small molecular organic radical systems in general and ultimately target future generation organic electronic devices and batteries. |이온과 전자의 복합 전도 시스템은 높은 전도성을 발현할 수 있는 잠재력으로 인해 전자소자 분야에서 전도유망하다. 이 시스템에 주로 고분자가 활용되었으나 새로운 활로를 개척해야 할 필요성이 대두되고 있다. 다양한 물질 중 라디칼 단량체의 복합 전도 시스템 응용은 차세대 연구로 잠재력이 매우 우수하나 관련된 연구는 거의 보고되지 않았다. 따라서, 본 논문에서는 라디칼 단량체인 4-substituted 2,2,6,6-tetramethylpiperidyl-1-oxy (4- hydroxy TEMPO, HT)에 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ, FT)와 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide salt (LiTFSI, LT)로 각각 전자 및 이온 도핑을 순서대로 실시하여 혼합 전도 메커니즘 및 거동에 대한 연구를 제시했다. 이 혼합물 (HT/LT/FT)의 최대 전도도는 ≈10−4 S cm−1 이며, 구성 요소 간 상호작용은 전체 전도도에 중대한 영향을 미친다. 또한, 우리는 도핑과 물리적 변화 그리고 혼합 전도도 사이의 상호 의존적 관계를 밝혀냈다. 본 논문의 시사점들은 유기 라디칼 단량체의 복합 전도 시스템 응용과 더 나아가 차세대 전자 장치 및 배터리에 적용할 수 있는 가능성을 제시한다