Conductivity of n-doped polyacetylene : dependence on doping level and temperature

¹ GDPC, USTL, place E Bataillon, 34095 Montpellier Cedex 05, France ;
² Institut Laue-Langevin, BP 156X, 38042 Grenoble Cedex, France.

Abstract

In order to perform reliable and reproducible conductivity versus temperature measurements on n-doped (CH)_x, we have designed and built a special electrochemical cell which allows the doping (or dedoping) process and the temperature variation to be made alternatively.

Using an oriented film (obtained by the liquid crystal technique) and for the maximum concentration (16%) of K dopant, we have measured a room temperature conductivity of 10⁴S/cm. This conductivity decreases by less than 30% when T is decreased down to liquid helium temperature. We have also investigated, in the same cell, lower concentrations during doping and dedoping cycles. We present preliminary results showing a double network of curves σ = f(T) with y constant and σ = f(y) with T constant. At each doping level, we can correlate our results with the structural evolution of the system and its electronic properties (8) by measuring the open circuit voltage. Our principal aim is to study the possibility of a correlation between the variation σ(y) (i.e. the crystalline and electronic structure) and σ(T) (i.e. the principal transport mechanism).

These results are discussed in the light of existing theoretical models such as: i) fluctuation induced tunneling, ii) variable range hopping, iii) transport by activation to a mobility edge, iv) weak localization in disordered metals. The last cannot be used to fit our data. The others can be used in specific doping level ranges (y < = 6% or y > 6%).

We will also discuss differences in σ(T) between single phase systems and two-phase systems. We will study to what extent the evolution of σ(y > T) of our system can be described by modelling the conductivity of an heterogeneous system with two compounds having each different electronic properties and different intrinsic σ(T).

Résumé

Dans le but d’effectuer des mesures fiables et reproductibles de conductivité en fonction de la température d’échantillons de polyacétylène dopé n, nous avons conçu et réalisé une cellule électrochimique particulière qui permet de mener à bien alternativement le dopage (ou le dédopage) et le cyclage en température.

En utilisant un film orienté (synthétisé par la technique des cristaux liquides) et pour une concentration maximale en dopant K (y = 16 %), la conductivité à température ambiante est de l’ordre de 10⁴S/cm. Cette valeur est abaissée de 30% quand la température est réduite à celle de l’hélium liquide. Nous avons aussi étudié, toujours avec cette même cellule, le cas de concentrations moindres pendant des cycles de dopage/dédopage. Nous présentons ici des résultats préliminaires sous forme d’un double réseau de courbes σ = f(T) paramétrées par y ou σ = f(y) paramétrées par T. A chaque taux de dopage, la mesure du potentiel en circuit ouvert permet de corréler nos résultats avec l’évolution de la structure du système ainsi que ses propriétés électroniques mises en évidence antérieurement (8).Un de nos buts est d’étudier la possibilité (et l’importance s’il y a lieu) d’une corrélation entre l’évolution de σ avec y (donc de la structure "cristalline" et électronique) et celle de σ avec T (c’est à dire les mécanismes de transport dominants).

Pour étudier cette question, nos résultats sont examinés à la lumière des modèles théoriques classiques existants. Nous avons testé successivement les modèles suivants: (i) transport par tunneling, (ii) transport par saut à distance variable, (iii) transport par activation à un seuil de mobilité, (iv) transport de type faible localisation dans les métaux désordonnés. Ce dernier ne s’applique pas dans le cas de nos données. Les trois autres modèles s’appliquent (formellement) dans des gammes de dopage spécifiques (y < = 6 % ou y > 6 %).

On discutera d’éventuelles différences de a (T) pour les systèmes monophasiques ou biphasiques. Pour ces derniers, on étudiera dans quelle mesure la conductivité σ(y, T) peut être décrite comme la conductivité d’un système hétérogène à deux composants dont chacun a des propriétés électroniques propres et des σ(T) Intrinsèques très différentes.