Skip to main content
Log in

RIR-MAPLE deposition of conjugated polymers for application to optoelectronic devices

  • Published:
Applied Physics A Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Resonant-infrared matrix-assisted pulsed laser evaporation (RIR-MAPLE) is a promising deposition technology for the fabrication of conjugated polymer-based optoelectronic devices for two primary reasons: (i) the ability to control film morphology, and (ii) the ability to deposit multi-layered heterostructures. This article reviews a variation of RIR-MAPLE that uses emulsified targets of organic solvents and water such that the incident laser wavelength (Er:YAG at 2.9 μm) is resonant with hydroxyl (O–H) bonds in the host matrix, which are absent from the guest material. The novelty of the approach lies in the fact that while most polymers of interest and many compatible solvents do not resonantly absorb the laser energy at 2.9 μm, the emulsion with water enables high-quality, thin-film deposition with minimal photochemical and structural degradation for almost any polymer of interest. In addition, the advantages of emulsion-based RIR-MAPLE for conjugated polymer-based optoelectronic devices are demonstrated by two important studies. First, conjugated polymer films deposited by RIR-MAPLE are shown to have higher hole drift mobilities than films deposited using traditional drop-casting and spin-casting techniques. Second, the unique capability of RIR-MAPLE to enable conjugated polymer-based optical heterostructures is demonstrated by the fabrication and characterization of a multi-layer, polymer distributed Bragg reflector.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

References

  1. H. Shirakawa, E.J. Louis, A.G. Macdiarmid, C.K. Chiang, A.J. Heeger, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 16, 578 (1977)

    Article  Google Scholar 

  2. R. McNeill, J.H. Wardlaw, D.E. Weiss, Aust. J. Chem. 16(663), 1056 (1963)

    Article  Google Scholar 

  3. S.A. McDonald, G. Konstantatos, S. Zhang, P.W. Cyr, E.J.D. Klem, L. Levina, E.H. Sargent, Nat. Mater. 4(2), 138 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  4. A.D. Stiff-Roberts, J. Nanophotonics 3, 031607 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. M. Gaal, C. Cadermaier, H. Plank, E. Moderegger, A. Pogantsch, G. Leising, E.J. List, Adv. Mater. 15(14), 1165 (2003)

    Article  Google Scholar 

  6. J.H. Burroughes, D.D.C. Bradley, A.R. Brown, R.N. Marks, K. Mackay, R.H. Friend, P.L. Burns, A.B. Holmes, Nature 347, 539 (1990)

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. G. He, J. Liu, Y. Li, Y. Yang, Appl. Phys. Lett. 80(11), 1891 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. J.Y. Kim, K. Lee, N.E. Coates, D. Moses, T. Nguyen, M. Dante, A.J. Heeger, Science 317(5835), 222 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. J.Y. Kim, S.H. Kim, H.H. Lee, K. Lee, W. Ma, X. Gong, A.J. Heeger, Adv. Mater. 18(5), 572 (2006)

    Article  Google Scholar 

  10. S. Günes, H. Neugebauer, N.S. Sariciftci, Chem. Rev. 107, 1324 (2007)

    Article  Google Scholar 

  11. M. Reyes-Reyes, K. Kim, D.L. Carroll, Appl. Phys. Lett. 87, 083506 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  12. H. Sirringhaus, N. Tessler, R.H. Friend, Science 280(5370), 1741 (1998)

    Article  ADS  Google Scholar 

  13. B.J. Schwartz, Annu. Rev. Phys. Chem. 54, 141 (2003)

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. S.A. Arnautov, E.M. Nechvolodova, A.A. Bakulin, S.G. Elizarov, A.N. Khodarev, D.S. Martyanov, D.Y. Paraschuk, Synth. Met. 147(1), 287 (2004)

    Article  Google Scholar 

  15. T.Q. Nguyen, R.C. Kwong, M.E. Thompson, B.J. Schwartz, Appl. Phys. Lett. 76(17), 2454 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  16. T.Q. Nguyen, I.B. Martini, J. Liu, B.J. Schwartz, J. Phys. Chem. B 104(2), 237 (2000)

    Article  Google Scholar 

  17. Y. Shi, J. Liu, Y. Yang, J. Appl. Phys. 87(9), 4254 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. X. Li, F. Cacialli, R. Cervini, A.B. Holmes, S.C. Moratti, A.C. Grimsdale, R.H. Friend, Synth. Met. 84(1), 159 (1997)

    Article  Google Scholar 

  19. H. Sirringhaus, T. Kawase, R.H. Friend, T. Shimoda, M. Inbasekaran, W. Wu, E.P. Woo, Science 290, 2123 (2000)

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. R. Saf, M. Goriup, T. Steindl, T.E. Hamedinger, D. Sandholzer, G. Hayn, Nat. Mater. 3(5), 323 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. A.R. Inigo, C.C. Chang, W. Fann, J.D. White, Y.S. Huang, U.S. Jeng, H.S. Sheu, K.Y. Peng, S.A. Chen, Adv. Mater. 17(15), 1835 (2005)

    Article  Google Scholar 

  22. W. Ma, P.K. Iyer, X. Gong, B. Liu, D. Moses, G.C. Bazan, A.J. Heeger, Adv. Mater. 17(3), 274 (2005)

    Article  Google Scholar 

  23. A. Piqué, R.A. McGill, D.B. Chrisey, D. Leonhardt, T.E. Msina, B.J. Spargo, J.H. Callahan, R.W. Vachet, R. Chung, M.A. Bucaro, Thin Solid Films 355(1), 536 (1999)

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. L. Zhigilei, E. Leveugle, J. Appl. Phys. 102(7), 074914 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. E. Leveugle, L.V. Zhigilei, A. Sellinger, J.M. Fitz-Gerald, Appl. Surf. Sci. 253, 6456 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  26. R.D. Torres, S.L. Johnson, R.F. Haglund, J.H. Hwang, P.L. Burn, P.H. Holloway, Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 36(1), 16 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. J.M. Fitz-Gerald, G. Jennings, R. Johnson, C.L. Fraser, Appl. Phys. A 80(5), 1109 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. B. Toftmann, M.R. Papantonakis, R.C.Y. Auyeung, W. Kim, S.M. O’Malley, D.M. Bubb, J.S. Horwitz, J. Schou, P.M. Johansen, R.E. Haglund, Thin Solid Films 453–454, 177 (2004)

    Article  Google Scholar 

  29. D.B. Chrisey, A. Piqué, A. McGill, J.S. Horwitz, B.R. Ringeisen, Chem. Rev. 103, 553 (2003)

    Article  Google Scholar 

  30. P.R. Griffiths, Fourier Transform Infrared Spectrometry Chemical Analysis (Wiley-Interscience, New York, 2007)

    Book  Google Scholar 

  31. D.M. Bubb, S.M. O’Malley, C. Antonacci, D. Simonson, R.A. McGill, J. Appl. Phys. 95(4), 2175 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. R. Pate, K.R. Lantz, A. Dhawan, T. Vo-Dinh, A.D. Stiff-Roberts, AIP Conf. Proc. 1278, 813 (2010). (International Symposium on High Power Laser Ablation)

    ADS  Google Scholar 

  33. R. Pate, A.D. Stiff-Roberts, Chem. Phys. Lett. 477(4–6), 406 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. R. Pate, K.R. Lantz, A.D. Stiff-Roberts, IEEE J. Quantum Electron. 14(4), 1022 (2008)

    Article  Google Scholar 

  35. R. Pate, K.R. Lantz, A.D. Stiff-Roberts, Thin Solid Films 517(24), 6798 (2009)

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. S. Shaked, S. Tal, Y. Roichman, A. Razin, S. Xiao, Y. Eichen, N. Tessler, Adv. Mater. 15(11), 913 (2003)

    Article  Google Scholar 

  37. F. Kong, S.Y. Zhang, C.Z. Yang, R.K. Yuan, Mater. Lett. 60(29), 3887 (2006)

    Article  Google Scholar 

  38. D.M. Bubb, A.O. Sezer, J. Gripenburg, B. Collins, E. Brookes, Appl. Surf. Sci. 253(15), 6465 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  39. D.M. Bubb, M. Papantonakis, B. Collins, E. Brookes, J. Wood, U. Gurudas, Chem. Phys. Lett. 448(4–6), 194 (2007)

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. A.L. Mercado, C.E. Allmond, J.G. Hoekstra, J.M. Fitz-Gerald, Appl. Phys. A 81(3), 591 (2005)

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. K.E. Strawhecker, S.K. Kumar, J.F. Douglas, K. Alamgir, Macromolecules 34(14), 4669 (2001)

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. D.M. Bubb, J. Corgan, S.Y. Yi, M. Khan, L. Hughes, U. Gurudas, M. Papantonakis, R.A. McGill, Appl. Phys. A 100, 523 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  43. C. Wu, C. Hsieh, D. Chen, S. Chang, K. Chen, Synth. Met. 155(3), 618 (2005)

    Article  Google Scholar 

  44. D.M. Bubb, B. Toftmann, J.R.F. Haglund, J.S. Horwitz, M.R. Papantonakis, R.A. McGill, P.W. Wu, D.B. Chrisey, Appl. Phys. A 74(1), 123 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  45. R. McCormick, A.D. Stiff-Roberts, J. Lenhardt, Presented at the Materials Research Society Fall Meeting, Boston, MA, 2010 (unpublished)

  46. J. Ouyang, Y. Xia, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 93, 1592 (2009)

    Article  Google Scholar 

  47. R. Mauer, M. Kastler, F. Laquai, Adv. Funct. Mater. 20(13), 2085 (2010)

    Article  Google Scholar 

  48. R.A. Marsh, J.M. Hodgkiss, S. Albert-Seifried, R.H. Friend, Nano Lett. 10(3), 923 (2010)

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. S. Lilliu, T. Agostinelli, E. Pires, M. Hampton, J. Nelson, J.E. Macdonald, Macromolecules 44(8), 2725 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  50. S.P. Speakman, G.G. Rozenberg, K.J. Clay, W.I. Milne, A. Ille, I.A. Gardner, E. Bresler, J.H.G. Steinke, Org. Electron. 2, 65 (2001)

    Article  Google Scholar 

  51. D.M. Bubb, P.K. Wu, J.S. Horwitz, J.H. Callahan, M. Galicia, A. Vertes, R.A. McGill, E.J. Houser, B.R. Ringeisen, D.B. Chrisey, J. Appl. Phys. 91(4), 2055 (2002)

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. A.T. Sellinger, A.H. Martin, J.M. Fitz-Gerald, Thin Solid Films 516(18), 6033 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

  53. M. Jørgensen, K. Norrman, F.C. Krebs, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92(7), 686 (2008)

    Article  Google Scholar 

  54. A.R. Inigo, H.C. Chiu, W. Fann, Y.S. Huang, U.S. Jeng, T.S. Lin, C.H. Hsu, K.Y. Peng, S.A. Chen, Phys. Rev. B 69(7), 075201 (2004)

    Article  ADS  Google Scholar 

  55. Y.F. Huang, A.R. Inigo, C.C. Chang, K.C. Li, C.F. Liang, C.W. Chang, T.S. Lim, S.H. Chen, J.D. White, U.S. Jeng, A.C. Su, Y.S. Huang, K.Y. Peng, S.A. Chen, W.W. Pai, C.H. Lin, A.R. Tameev, S.V. Novikov, A.V. Vannikov, W.S. Fann, Adv. Funct. Mater. 17, 2902 (2007)

    Article  Google Scholar 

  56. M.H. Li, H.L. Chen, Y.F. Huang, W.T. Chuang, Y.R. Chen, H.S. Tsai, O.A. Semenikhin, J.D. White, Chem. Phys. Lett. 505, 100 (2011)

    Article  ADS  Google Scholar 

  57. A.R. Inigo, Y.F. Huang, J.D. White, Y.S. Huang, W.S. Fann, K.Y. Peng, S.A. Chen, J. Chin. Chem. Soc. 57, 459 (2010)

    Google Scholar 

  58. T. Komikado, S. Yoshida, S. Umegaki, Appl. Phys. Lett. 89, 061123 (2006)

    Article  ADS  Google Scholar 

  59. S. Marchant, W.R.E. Brakenbury, J. Horder, P.J.S. Foot, J. Mater. Sci. Lett. 12, 1154 (1993)

    Google Scholar 

  60. J. Dlutowski, A.M. Cardenas-Valencia, D. Fries, L. Langebrake, J. Chem. Educ. 83(12), 1867 (2006)

    Article  Google Scholar 

  61. S.H. Im, J.A. Chang, S.W. Kim, S.W. Kim, S.I. Seok, Org. Electron. 11, 696 (2010)

    Article  Google Scholar 

  62. K.D. Singer, T. Kazmierczak, J. Lott, H. Song, Y. Wu, J. Andrews, E. Baer, A. Hiltner, C. Weder, Opt. Express 16(14), 10358 (2008)

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to Adrienne D. Stiff-Roberts.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Pate, R., McCormick, R., Chen, L. et al. RIR-MAPLE deposition of conjugated polymers for application to optoelectronic devices. Appl. Phys. A 105, 555–563 (2011). https://doi.org/10.1007/s00339-011-6598-3

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00339-011-6598-3

Keywords

Navigation