Present polymeric microelectronic devices are typically unipolar devices, based on p-type semiconducting polymers. Bipolar devices stable under ambient conditions are desirable, but have not yet been reported due to a lack of stable n-type doped conducting polymers. Starting from the standard redox potentials of, especially, water and oxygen, stability requirements on electrode potentials of n-type doped conducting polymers are derived. The predictions are then compared with experimental data on stability of conducting polymers. A good agreement is obtained. An electrode potential of about 0 to + 0.5 V (SCE) is required for stable n-type doped polymers, similar to the requirement on the electrode potential for stable undoped p-type polymers. Consequences for bipolar devices are analysed. Huge overpotentials for the redox reaction with wet oxygen are required in order to realize thermodynamically stable bipolar devices from known doped p-type and n-type conducting polymers. Finally, possible solutions, accepting thermodynamic instability, are discussed.

Pentacene films deposited with molecular beam deposition have been fabricated and characterized with respect to structure and morphology using x-ray diffraction and scanning electron microscopy. Metal-insulator semiconductor field-effect transistor devices based on such films were used to study their transport properties. A maximum field-effect mobility of 0.038 cm−2 V−1 s−1 is reported for devices incorporating pentacene films deposited at room temperature. The structural characterization revealed the coexistence of two phases: the thermodynamically stable single-crystal phase and the kinetically favored, metastable thin-film phase. Such mixed phase films were produced when low deposition rates were used in combination with a substrate temperature of 55 °C. Mixed phase films had transport properties inferior to films consisting solely of one phase, while amorphous films deposited at low surface mobility conditions had extremely low conductivity. Use of prepurified pentacene as source material resulted in an order of magnitude lower free-carrier concentration in the pentacene film as compared to films made with as-received pentacene.

We have fabricated light-emitting diodes with poly(p-phenylenevinylene) as the emissive layer, and with an electron-transporting layer formed from a solid state dispersion of 2-(4-biphenylyl)-5-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazole in poly(methyl methacrylate), placed between this and the negative electrode. These structures show typically a tenfold improvement in efficiency in the low-voltage regime and an eightfold improvement in the high-voltage regime over devices without the electron-transporting layer. Typical efficiencies are about 0.8% photons/electron. We consider that the role of the electron-transport layer is to confine holes to the emissive layer.

We present results on metal-insulator-semiconductor field-effect transistors using conjugated organic semiconductors which can be processed from solution. The polymer poly(β′-dodecyloxy(-α,α′-α,α″-)terthienyl) is processed directly from solution whilst the polymer poly(thienylene vinylene) and the molecule pentacene are processed via soluble precursors. The operation mechanism of the transistors has been explained and expressions to extract mobility values and to interpret on/off ratios have been presented. The obtained transistor characteristics are explained in relation to the measured dopant concentrations, bulk conductivities and field-effect mobilities. All characteristics can be simulated using as input the transistor sheet conductivity as a function of the gate bias. Within a simple model the bulk conductivities and field-effect mobilities along with their temperature dependences are explained using variable-range hopping for heavily doped systems and polaronic thermally activated transport for lightly doped systems. This is a consequence of the density of states of conjugated systems which dynamically changes upon introduction of charge either by a field effect or through doping. The observed relationships for the various organic semiconductors are rationalized in a schematic mobility-conductivity plot. Transistors constructed from semiconductors processed from precursors display characteristics that allow for the construction of simple logic gates. Results from inverter, NOR and NAND gates and a simple ring oscillator circuit are shown. Switching frequencies of a few kHz have been achieved. The shelf-lives of devices are encouraging. Under stress operation, however, it is found that relaxation processes give rise to reversible current loss. This relaxation effect is intrinsic to the semiconductor. The origin may be related to the density of states for conjugated molecules being dynamic upon doping.

Metal-insulator-semiconductor field-effect transistors have been fabricated from polymer semiconductors that can be processed from solution. The performance of these transistors is sufficient to allow the construction of simple logic gates that display voltage amplification. Successful coupling of these gates into ring oscillators demonstrates that these logic gates can switch subsequent gates and perform logic operations. The ability to perform logic operations is an essential requirement for the use of polymer-based transistors in low-cost low-end data storage applications.

Doping is one of the most important methods to control charge carrier concentration in semiconductors. Ideally, the introduction of dopants should not perturb the ordered microstructure of the semiconducting host. In some systems, such as modulation-doped inorganic semiconductors or molecular charge transfer crystals, this can be achieved by spatially separating the dopants from the charge transport pathways. However, in conducting polymers, dopants tend to be randomly distributed within the conjugated polymer, and as a result the transport properties are strongly affected by the resulting structural and electronic disorder. Here, we show that in the highly ordered lamellar microstructure of a regioregular thiophene-based conjugated polymer, a small-molecule p-type dopant can be incorporated by solid state diffusion into the layers of solubilizing side chains without disrupting the conjugated layers. In contrast to more disordered systems, this allows us to observe coherent, free-electron-like charge transport properties, including a nearly ideal Hall effect in a wide temperature range, a positive magnetoconductance due to weak localization and the Pauli paramagnetic spin susceptibility. Small molecules diffusing into a thin film of thiophene-based conjugated polymers act as p-type dopants without altering the ordered microstructure of the film. As a result, free-electron-like charge transport is also observed at high doping levels.

Due to their low-temperature processing properties and inherent mechanical flexibility, conjugated polymer field-effect transistors (FETs) are promising candidates for enabling flexible electronic circuits and displays. Much progress has been made on materials performance; however, there remain significant concerns about operational and environmental stability, particularly in the context of applications that require a very high level of threshold voltage stability, such as active-matrix addressing of organic light-emitting diode displays. Here, we investigate the physical mechanisms behind operational and environmental degradation of high-mobility, p-type polymer FETs and demonstrate an effective route to improve device stability. We show that water incorporated in nanometre-sized voids within the polymer microstructure is the key factor in charge trapping and device degradation. By inserting molecular additives that displace water from these voids, it is possible to increase the stability as well as uniformity to a high level sufficient for demanding industrial applications. Small molecular additives incorporated into films of conjugate polymers are shown to fill the voids present in the polymer network. As a result, the stability of organic transistors based on these materials is significantly improved.

In physics, two systems that radically differ at short scales can exhibit strikingly similar macroscopic behaviour: they are part of the same long-distance universality class1. Here we apply this viewpoint to geometry and initiate a program of classifying homogeneous metrics on group manifolds2 by their long-distance properties. We show that many metrics on low-dimensional Lie groups have markedly different short-distance properties but nearly identical distance functions at long distances, and provide evidence that this phenomenon is even more robust in high dimensions. An application of these ideas of particular interest to physics and computer science is complexity geometry3-7-the study of quantum computational complexity using Riemannian geometry. We argue for the existence of a large universality class of definitions of quantum complexity, each linearly related to the other, a much finer-grained equivalence than typically considered. We conjecture that a new effective metric emerges at larger complexities that describes a broad class of complexity geometries, insensitive to various choices of microscopic penalty factors. We discuss the implications for recent conjectures in quantum gravity.