Electrochemical Switching in Conducting...

47
Electrochemical Switching in Conducting Polymers – Printing Paper Electronics Payman Tehrani Norrköping 2008

Transcript of Electrochemical Switching in Conducting...

Page 1: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

 

 

Electrochemical Switching in Conducting Polymers – Printing Paper Electronics 

 

Payman Tehrani 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Norrköping 2008 

 

Page 2: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electrochemical switching in conducting polymers – printing paper electronics 

Payman Tehrani 

 

Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, no.1212 

Copyright © 2008 Payman Tehrani, unless otherwise noted. 

Printed by LiU‐Tryck, Linköping, Sweden 2008 

ISBN: 978‐91‐7393‐801‐3 

ISSN: 0345‐7524 

 

Page 3: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

Abstract

During  the  last 30  years a new  research and  technology  field of organic electronic 

materials has grown thanks to a groundbreaking discovery made during the late 70’s. 

This new field is today a worldwide research effort focusing on exploring a new class 

of materials that also enable many new areas of electronics applications. The reason 

behind  the success of organic electronics  is  the  flexibility  to develop materials with 

new  functionalities  via  clever  chemical  design  and  the  possibility  to  use  low‐cost 

production techniques to manufacture devices.  

This  thesis  reports  different  aspects  of  electrochemical  applications  of  organic 

electronics. We  have  shown  that  the  color  contrast  in  reflective  and  transmissive 

electrochromic  displays  can  be  almost  doubled  by  adding  an  extra  electrochromic 

polymer.  The  choice  of  electrochromic  material  was  found  to  be  limited  by  its 

electrochemical  over‐oxidation  (ECO)  properties,  which  is  one  of  the  main 

degradation  mechanisms  found  in  displays.  The  irreversible  and  non‐conducting 

nature of over‐oxidized films encouraged us to use it in a novel patterning process in 

which  polythiophene  films  can  be  patterned  through  local  and  controlled 

deactivation of the conductivity. ECO can be combined with various patterning tools 

such as  screen printing  for  low‐cost  roll‐to‐roll manufacturing or photolithography, 

which  enables  patterning  of  small  features.  Studies  have  shown  that  electronic 

conductivity  contrasts  beyond  107  can  be  achieved,  which  is  enough  for  various 

simple  electronic  systems.  To  generate  better  understanding  of  the  ECO 

phenomenon, the effect of pH on the over‐oxidation characteristics was studied. The 

results suggest that a part of the mechanism for over‐oxidation depends on the OH– 

concentration  of  the  electrolyte  used.  Over‐oxidation  has  also  been  used  in 

electrochemical  loggers,  where  the  temperature  and  time  dependence  of  the 

propagation  of  an  over‐oxidation  front  is  used  to  monitor  and  record  the 

temperature of a package.  

 

Page 4: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

Populärvetenskaplig sammanfattning

Dagligen  kommer  vi  i  kontakt med olika plastmaterial. Dessa har  vanligtvis mycket 

dålig elektrisk ledningsförmåga och används oftast som isolerande material. Det finns 

dock en klass av plaster som är halvledande eller ledande. Sedan upptäckten av dessa 

material för mer än 30 år sedan har nya material och användningsområden utvecklats 

och  nu  börjar  de  första  produkterna  baserad  på  organisk  elektronik  komma  ut  på 

marknaden.  En  stor  fördel  med  de  ledande  plasterna  är  att  egenskaperna  kan 

anpassas genom att ändra den kemiska strukturen. Man kan dessutom lösa upp dem 

och skapa ledande bläck, som sedan kan användas i vanliga tryckmaskiner. Detta gör 

det möjligt att på ett enkelt och billigt sätt tillverka elektronik på liknande sätt som till 

exempel tidningar trycks idag. 

Den  här  avhandlingen  behandlar  en  del  av  det  nya  området  som  berör 

elektrokemiska komponenter och några av dess tillämpningar. Fokus ligger främst på 

billig, tryckt elektronik. Bland annat presenteras ett sätt att fördubbla kontrasten för 

tryckta pappersdisplayer, ett nytt sätt att mönstra ledande plaster och elektrokemisk 

temperaturloggningsetikett som kan övervaka temperaturen för förpackningar under 

transport. Den mekanism som förstör ledningsförmågan vid höga spänningar har varit 

ett  återkommande  inslag  i  de  studier  som  har  genomförts  här.  Denna mekanism 

förstör  komponenterna  under  drift  men  kan  också  användas  för  att  ta  bort 

ledningsförmågan som mönstringsmetod eller för att lagra information, permanent, i 

temperaturloggningsetiketten. 

 

Page 5: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

 

Acknowledgements

I would like to express my sincere gratitude to the people who have helped me reach 

this point, especially … 

… my  supervisor Magnus Berggren,  for all  the help and  support during  these years 

and for creating this very inspiring working environment. 

…  Thomas  Kugler, who  gave me  the  opportunity  to  start working  in  this  research 

field. 

… Nate, Xavier and Isak, for ALL the valuable and interesting scientific discussions. 

… Sophie for knowing everything and helping with all the administrative duties. 

… David, Peter, Joakim and the others that have worked with me in the lab, for being 

patient with my very impatient experimental technique.  

…  the  people  that  I  have worked with,  especially  the  co‐authors  of  the  included 

papers, who  have  contributed with  their  expertise  to  bring  science  one  tiny  step 

forward. 

A  really big  thank  to  all  the present  and past members of  the Organic  Electronics 

group at ITN (Daniel, David, Edwin, Elias, Elin, Emilien, Fredrik, Georgios, Hiam,  Isak, 

Jessica,  Jiang,  Joakim,  Klas,  Kristin,  Lars,  Linda, Magnus, Maria, Max,  Nate,  Olga, 

Oscar, PeO, Peter, Sophie, Thomas, Xavier, Xiangjun and Yu) for creating an amazing 

working environment (and relaxing coffee breaks). 

I want  to  thank my  family  and  friends  for  believing  in me  and  giving me  all  the 

support  that  has  brought me  here.  And  of  course  thanks  for  all  the  good  times 

outside of work. 

I  also want  to  thank  the  two most  important  persons  in my  life: My  loving wife 

Yashma  for  supporting me  in my work. Without  you  this would  have  been more 

difficult. Last but not least I want to thank my little Kayvan that takes a lot of my time 

but gives back so much more. 

 

Page 6: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

List of included papers Paper 1:  Patterning polythiophene films using electrochemical over‐oxidation 

Payman Tehrani, Nathaniel D. Robinson, Thomas Kugler, Tommi Remonen, Lars‐Olov Hennerdal,  Jessica Häll, Anna Malmström, Luc Leenders and Magnus Berggren  

Smart Materials and Structures 14 (2005) N21–N25  

Contribution:  All  the experimental work. Wrote  the  first draft and was  involved  in the final editing of the paper. 

 Paper 2:  The effect of pH on the electrochemical over‐oxidation of PEDOT:PSS films 

Payman Tehrani, Anna Kanciurzewska, Xavier Crispin, Mats Fahlman, Nathaniel D. Robinson and Magnus Berggren 

Solid State Ionics 177 (2007) 3521–3527 

Contribution:  Most of the electrochemical measurements. Wrote the first draft and was involved in the final editing of the paper. 

 Paper 3:  Evaluation of active materials designed for use in printable electrochromic 

polymer displays 

Payman  Tehrani,  Joakim  Isaksson, Wendimagegn Mammo, Mats  R.  Andersson, Nathaniel  D.  Robinson  and Magnus Berggren 

Thin Solid Films 515 (2006) 2485–2492 

Contribution:  About half of  the experimental work  (not  including  the  synthesis of the  polymers). Wrote  the  first  draft  and  was  involved  in  the  final editing of the paper. 

 Paper 4:  Improving the contrast of all‐printed electrochromic paper‐displays 

Payman Tehrani, Lars‐Olov Hennerdal, John R. Reynolds and Magnus Berggren 

Manuscript 

Contribution:  All the experimental work except the synthesis of the polymer and the roll‐to‐roll  patterning  of  PEDOT:PSS. Wrote  the  first  draft  and  was involved in the final editing of the paper. 

 Paper 5:  Printable  organic  temperature  logger  based  on  over‐oxidation  front 

propagation in PEDOT:PSS 

Payman Tehrani, Isak Engquist, Nathaniel D. Robinson, David Nilsson, Mats Robertsson and Magnus Berggren 

Manuscript 

Contribution:  All  the experimental work except  the DSC measurement. Wrote  the first draft and was involved in the final editing of the paper. 

 

Page 7: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

 

Related work not included in this thesis:  

Printable All‐Organic Electrochromic Active‐Matrix Displays 

Peter Andersson, Robert Forchheimer, Payman Tehrani, and Magnus Berggren 

Advanced Functional Materials 17 (2007) 3074–3082 

 

Device, kit and method for monitoring a parameter history 

US2008013595, EP1862786 

 

Patterning PEDOT:PSS layer by controlled electrochemical reaction 

EP1916670 

 

A device for integrating and indicating a parameter over time 

Patent pending 

 

 

 

Page 8: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER
Page 9: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

Table of contents

1 INTRODUCTION 1

2 CONDUCTING POLYMERS 3

2.1 π-CONJUGATED POLYMERS 3

2.2 EXAMPLES OF CONJUGATED POLYMERS 7

2.3 CHARGE CARRIERS 8

2.4 CHARGE TRANSPORT 9

2.5 OPTICAL PROPERTIES 11

3 ELECTROCHEMISTRY OF CONJUGATED POLYMERS 13

3.1 ELECTROCHEMICAL CELL 13

3.2 ELECTRODES OF CONJUGATED POLYMERS 14

3.3 ELECTROCHEMICAL MEASUREMENTS 17

3.4 ELECTROLYTES 18

3.4.1 ION TRANSPORT 19

3.4.2 IONIC CONDUCTIVITY 19

3.5 OVER-OXIDATION 21

4 APPLICATION OF CONJUGATED POLYMERS 23

4.1 ELECTROCHEMICAL OVER-OXIDATION PATTERNING 24

4.2 ELECTROCHROMIC DISPLAY 26

4.2.1 CIE LAB COORDINATES 29

4.3 ELECTROCHEMICAL TIMER AND LOGGER 32

REFERENCES 35

PAPER 1-5 38

 

Page 10: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER
Page 11: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

Today, we are surrounded by electronics and  they greatly affect our daily  life.  It all 

started with the transistor[1] that was demonstrated by the Bell Laboratories in 1947 

(Figure 1). During  the  last 60 years  the  technology has been developed  into a vast 

array of products that we today take for granted. The field of organic electronics was 

started by the discovery of conducting polymers[2]  in 1977. During the  last 30 years 

new  materials  and  many  different  applications  have  been  demonstrated.  The 

question is how organic electronics will affect our lives in 30 years? The properties of 

this class of materials promise novel and exciting applications beyond the potential of 

traditional, silicon‐based, electronics. Organic conducting polymers allow … 

…simple and fast manufacturing using printing techniques 

…use of flexible and lightweight carrier substrates such as paper or plastic films 

…novel applications and devices 

…unique ways of adapting the device function by tuning the material properties 

though chemical engineering, which enables endless opportunities. 

 

Figure 1. The first silicon based transistor demonstrated in Bell Laboratories. 

  1

 

 

 

1 Introduction

Page 12: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

Thanks to these benefits, new products have been developed and are now emerging 

on  the market. The most mature  technology  is organic  light emitting diodes  (OLED) 

where several companies have released products for the consumer market. The first 

product that integrated an OLED display was the Philips shaver (Figure 2a) announced 

in 2002. Recently Sony has started selling their first generation of OLED displays as an 

11”  TV with  extraordinary  high  contrast,  superb  color  accuracy  and  close  to  180° 

viewing angle (Figure 2b). These products are only examples of what can be achieved 

with  this new  class of materials and many other  technologies are approaching  the 

market soon. 

 

Figure  2.  Two  examples  of  products  using  organic  based  displays.  (a) A  Philips  shaver  from 

2002.  (b)  The  Sony  OLED  TV  XEL‐1,  only  3 mm  thick was  released  in  the market  in  2007. 

Copyright © Philips and Sony Corp.  

Above,  the  background  and  the  motivation  for  using  conducting  polymers  in 

electronics were briefly reviewed.  In chapter 2 the material and the basic principles 

for  charge  conduction  in  conjugated  polymers  are  presented.  Chapter  3  describes 

electrochemistry  and  its  application  to  conjugated  polymers.  Chapter  4  gives  an 

overview of  the  field of electrochemical organic electronics devices  and  a more  in 

depth description of the work presented in this thesis. 

 2 

Page 13: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

Traditionally, polymers have been considered as poor electronic conductors and have 

extensively been used as  insulators  in electronics and electric power applications. In 

1977,  A.  Heeger,  A.  MacDiarmid  and  H.  Shirakawa  demonstrated  that  chemical 

doping  of  trans‐polyacetylene  films,  a  π‐conjugated  polymer,  can  enhance  its 

electrical  conductivity  by  many  orders  of  magnitude  to  almost  reach  the  typical 

conductivity values of metals[2]. Their finding has resulted in a new class of materials 

offering novel applications  for electronics  such as  flexible  solar  cells,  light emitting 

devices,  printed  field  effect  transistors  and  electrochemical  components made  on 

paper.  In 2000,  these  gentlemen were  awarded  the Nobel Prize  in  chemistry[3]  for 

their discovery. The wide range of conductivity accessible in polymers originates from 

the  diverse  nature  of  the  carbon  atom  in  different  chemical  structures.  The 

conductivity of a material  is determined by the number of charge carriers and their 

inherent mobility. These parameters are governed by the chemical structure and the 

morphology  of  the  polymer  film.  In  this  chapter,  the  relationship  between  the 

chemical  structure  and  the  conductivity  is discussed, especially  the  charge  carriers 

and the charge transport processes in the polymers.  

2.1 π-conjugated polymers

Although  all  organic materials  are  based  on  the  same  building  block,  the  carbon 

atom, materials with organic  compounds exhibit  large  variety of properties.  Let us 

compare diamond and graphite, for instance. Both consist only of carbon atoms, but 

they  have  completely  different  electrical,  optical  and  mechanical  properties: 

Diamond  is  non‐conducting,  transparent  and  considered  as  one  of  the  hardest 

material  known  to  mankind,  while  graphite  is  conducting,  black  and  brittle.  The 

difference  can be explained by  the different hybridization of  the  carbon atoms, an 

  3

 

 

 

2 Conducting polymers

Page 14: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

atom which has four valence electrons  in one 2s‐ and three 2p‐orbitals. In diamond, 

the  carbon  atom  is  sp3‐hybridized, meaning  that  the  electrons  occupy  four  hybrid 

orbitals made of a mixture of one 2s‐ and three 2p‐orbitals. Because of the symmetry 

of  the  four equal hybridized orbitals,  the  tetrahedral structure  that  is characteristic 

for all sp3‐hybridized materials is created (Figure 3a). The electrons in the sp3‐orbitals 

have  a  small  extension  in  space  and  form  very  strong  bonds  (σ‐bonds)  with 

neighboring  atoms.  Therefore  materials  with  sp3‐hybridization  are  stable  and 

electrically insulating as there are no free electrons in the system.  

 

Figure  3.  The  four  valence  electrons  in  the  carbon  form  symmetrical σ‐bonds  to  four  other 

atoms  in  case  of  sp3‐hybridized  material  (a).  In  case  of  sp2‐hybridized  materials  three 

symmetrical are formed with the  last valence electron  left  in the 2p orbital orthogonal to the 

plane of the σ‐bonds (b). 

In sp2‐hybridized materials, such as graphite, three of the four valence electrons are 

in sp2‐orbitals, a mixture of one 2s‐ and two 2p orbitals, while the  last electron  is  in 

the  remaining  2p‐orbital.  The  sp2‐electrons  form  strong  bonds  (σ‐bonds)  with 

neighboring atoms and  create  the backbone of  the material, while  the 2p‐electron 

forms π‐bonds with neighboring 2p‐electrons creating a double bond (together with 

the  σ‐bond).  Because  there  are  three  symmetrical  sp2‐orbitals,  the  sp2‐hybridized 

materials  have  a  planar‐triangular  symmetry  (Figure  3b).  The  2p‐orbitals  are 

 4 

Page 15: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  2  –  CONDUCTING  POLYMERS  

orthogonal  to  the plane of  the  sp2‐orbitals.  In  contrast  to  the  sp2‐orbitals  they are 

delocalized  and  can  reach  far  beyond  the  nearest  neighboring  atom.  The  sp2‐

hybridization  in graphite  results  in a  layered  structure  that gives  softer mechanical 

properties as compared to the rigid diamond structure. In the following sections the 

specific electrical and optical properties of sp2‐hybridized material are discussed. 

 

Figure 4. As the number of carbon atoms  increases, the overlap between the π‐orbitals cause 

states  to split, eventually giving  rise  to continuous bands as  the polymer extends  into a  long 

chain. 

In a molecule with two sp2‐hybridized carbon atoms, the interaction between the 2p‐

electrons results  in two molecular orbitals, one being of bonding nature with  lower 

energy  level  (π)  and  one  being  antibonding  (π*)  located  at  a  higher  energy  level 

(Figure 4). As  the number of carbon atoms  increases  in a molecule,  the number of 

molecular  orbitals  increases.  In  large molecules  with  N  carbon  atoms,  the  N  2p‐

electrons  yield  N  molecular  orbitals  all  with  different  energy  levels.  Because  N 

electrons  can  occupy  N/2  states,  half  of  the  orbitals  are  filled while  the  rest  are 

empty.  For  electronic  and  optical  applications,  the  energy  difference  between  the 

highest  occupied molecular  orbital  (HOMO)  and  the  lowest  unoccupied molecular 

level  (LUMO)  is  important,  since  it  predicts  the  fundamental  properties  of  the 

material.  As  the  number  of  carbon  atoms,  N,  increases,  the  energy  difference 

between the levels decreases until they merge in continuous bands (Figure 4).  

  5

Page 16: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

Now consider an infinite chain of carbon atoms which are sp2‐hybridized. That would 

give an infinite amount of atomic orbitals that are brought together and overlapping. 

Because  of  the  energy  splitting,  the molecular  orbitals  have  to  be  packed  densely 

with  infinitesimal energy difference between  them,  creating bands of  states  in  the 

energy diagram. This would  result  in a one dimensional metal without a band gap 

(the energy difference between the HOMO and LUMO). But  in practice this  is not a 

stable  state  and  a  band  gap  is  formed  between  the  bonding  and  the  antibonding 

states. This can be explained by Peierls theorem[4]: He stated that a one‐dimensional 

metal  is unstable with respect to geometrical modification that  leads to  lowering of 

the symmetry and removal of  the degeneracy of  the HOMO and LUMO  levels,  thus 

obtaining  a  semi‐conducting  state.  The  Peierls  theorem  applied  on  trans‐

polyacetylene  (Figure 6a)  yields as a  result  that  the metallic  state with delocalized 

electrons  in  the  polymer  chain  (Figure  5a)  is  unstable.  The  polymer  is  stabilized 

through a geometrical distortion  that  results  in a dimerization of  the unit cell with 

alternating single and double bonds (Figure 5b). In this state the energy levels of the 

HOMO and LUMO are separated creating a band gap that  is characteristic for semi‐

conductors. Therefore all conjugated polymer are semi‐conductors  in their undoped 

state. 

 

Figure 5. The structure of  trans‐polyacetylene  (a) results  in a degenerated HOMO and LUMO 

state, which gives the polymer metallic properties. But according to Peierls theorem this state is 

unstable  and  is  instead  transformed  into  the more  stable  form with  alternated  double  and 

single bonds in (b) and a band gap between the HOMO and the LUMO state.  

 6 

Page 17: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  2  –  CONDUCTING  POLYMERS  

2.2 Examples of conjugated polymers

SS

SS

S

OO

OO

OO

OO

OO

N N NH

NH

a

b

c

e

f

d

SS

SS

S

NH

NH

NH

NH

NH

 

Figure 6. Examples of some conjugated polymers (a) trans‐polyacetylene (b) polythiophene (c) 

poly(para‐phenylene  vinylene)  (d)  polypyrrole  (e)  polyaniline  (f)  poly(3,4‐

ethylenedioxythiophene) 

The  simplest  conjugated  polymer,  from  a  structure  point  of  view,  is  trans‐

polyacetylene  (Figure 6a), being a  straight conjugated  chain of  carbon atoms, each 

atom bonded to one hydrogen atom. Although trans‐polyacetylene  is easy to model 

in  theoretical  studies,  the  films  are  very  sensitive  for  exposure  to  air  and water, 

making  it  a  poor  candidate  in  applications.  Through  the  years, different  classes  of 

more  stable  conjugated  polymers  have  been  developed  (Figure  6).  One  of  the 

characteristics  that make  polymers  interesting  is  that  their  fundamental  electronic 

and  optical  properties  can  be  tuned  by  changing  their  chemical  structure.  One 

polymer that is widely used because of its stability and high conductivity is poly(3,4‐

ethylenedioxythiophene),  PEDOT,  a  polythiophene  derivative with  a  low  band  gap 

(Figure 6f). PEDOT  itself  is  insoluble, but when chemically polymerized with poly(4‐

styrenesulfonate), PSS, as counter  ion, a water emulsion can be obtained (Figure 7). 

In  the  PEDOT:PSS  couple,  the  PEDOT  part  is  positively  doped making  the  polymer 

highly conducting (at a conductivity sometimes exceeding 10 S/cm)[5]. 

  7

Page 18: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

S

OO

S

OO

S

OO

S

OO

S

OO

S

OO

S

OO

SO3Na SO3 SO3Na SO3Na SO3Na SO3 SO3Na

+ +

 

Figure 7. The positively doped PEDOT having PSS as the counter ion. 

2.3 Charge carriers

The π‐electrons  in a neutral  conjugated polymer  chain  are bound  in  the π‐orbitals 

giving rise to an alternation of single and double bonds. In this state the conjugated 

polymer has typical semiconducting properties. To conduct electricity, charges have 

to be introduced into the polymer (removing or adding electrons). The charge in the 

polymer chain is stabilized by altering the conjugation over several monomers (Figure 

8). The charge together with the distortion of the structure of the polymer is denoted 

a polaron and can be either negative or positive. When two polarons form a couple, a 

so called bipolaron is generated with a charge of +2 (–2). 

SS

SS

SSS

SS

SS

SSS

SS

SS

SSS +

+

e-

SS

SS

SSS

SS

SS

SSS

SS

SS

SSS

e-

 

Figure  8.  The  doping  of  the  polymer  and  creation  of  a  positive  (left)  and  a  negative  (right) 

polaron.  

The number of free charge carriers can be increased through doping, for instance via 

charge  injection  from  electrodes or  via  chemical doping. Chemical doping  involves 

 8 

Page 19: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  2  –  CONDUCTING  POLYMERS  

charging the polymer film through chemical oxidation or reduction by dopant species. 

The dopant, with opposite charge, stays  in  the  film and balances  the charge of  the 

polymer.  In  many  electrochemical  systems,  the  polymer  film  can  be  doped  and 

dedoped reversibly via oxidation and reduction. 

 

Figure  9.  Positive  polaron  and  bipolaron  in  a  conjugated  polymer. Overlap  between  charge 

carriers at high doping levels results in the formation of bands. 

Upon doping, the charge carriers alter the structure of the polymer by increasing the 

length  of  the  double  bonds  and  shortening  the  single  bonds,  thus  giving  a more 

quinoidic character. This results  in a decreased energy splitting between the HOMO 

and  the LUMO  levels, moving  those states  towards each other within  the band gap 

(Figure 9). As  the doping  level  increases,  the number of states within  the band gap 

increases. At high doping  levels, the states within the band gap start to overlap and 

create bands of bipolaronic states (Figure 9).  

2.4 Charge transport

In the solid state, polymer  films are usually disordered with chains  forming random 

coils. The π‐system of the conjugated polymers makes the polymer straight and rigid 

but  chemical  defects  or  torsion  break  the  conjugation  along  the  chain.  In  the 

conjugated sections of the polymer (I in Figure 10), the charge is transported through 

rearrangement  of  the  bonds  which  is  not  as  fast  as  in  inorganic  crystalline 

  9

Page 20: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

semiconductors. The  rearrangement  is  limited by  the movement of nuclei  that are 

about 100 times slower than the electron rearrangement. But still, the  limiting step 

for charge transport is the hopping of charges in between chains and around defects 

present in the bulk (II in Figure 10).  

 

Figure 10. Transport of a polaron in a lightly doped film can be divided in intra‐chain transport 

(I) and inter‐chain hopping (II) 

In heavily doped polymer films, the polarons  interact to form bands  inside the band 

gap promoting transport of the charge carriers in the bulk. Inhomogeneity in doping 

level  and morphology  creates  regions  with  poor  conductivity  between  the  highly 

conducting  regions.  For  example  PEDOT:PSS  films  contain  highly  doped  “metallic” 

grains surrounded by regions with low concentrations of PEDOT chains diluted in PSS 

(Figure 11). Even though the electronic conductivity  is high  in the grains, the charge 

transport is limited by the hopping from grain to grain. 

 

Figure  11.  Charge  transport  in  highly  doped  grains with  a  low  concentration  of  conjugated 

polymer chains  in between the grains.  Inside the grains, charges are delocalized and migrate 

easily  (I), while  charges  needs  to  hop  between  the  grains  passing  over  the  low‐conducting 

phases (II). 

 10 

Page 21: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  2  –  CONDUCTING  POLYMERS  

2.5 Optical properties

The electronic structure of a material governs its optical properties as a result of the 

interaction between electrons and photons. In order to absorb a photon, an electron 

has to be excited to a higher available energy level corresponding to an increase of its 

energy state equal  to  the photon energy  (Figure 12a). The  light emission process  is 

similar but reversed; a photon is emitted as an electron at a high energy level state is 

de‐excited  to  an  available  state with  lower  energy  (Figure  12b). Many  conjugated 

polymers have a band gap that matches the range of visible light (1.7 – 3.2 eV). This 

means  that  conjugated  polymers may  exhibit  absorption  and  light  emission  in  the 

visible  region.  In an undoped polymer,  the band gap equals  the  lowest energy  that 

can be absorbed. Upon doping, the formation of polarons and bipolarons changes the 

electronic  structure  and  introduces  new  states  within  the  band  gap.  These  new 

electronic  states  allow  absorption  at  lower  photon  energies,  which  drastically 

changes  the  absorption  spectrum.  As  the  doping  level  increases,  the  original 

absorption  peak  diminishes  at  the  expense  of  the  new  polaronic  and  bipolaronic 

peaks.  An  example  of  this  is  given  in  the  spectroelectrochemical measurement  of 

Figure  13.  Here  the  original  peak  at  2.3 eV,  corresponding  to  transition  between 

HOMO  and  LUMO,  decreases  as  the  doping  level  increases.  Instead  a  new  peak 

appears  at  1.3  eV  corresponding  to  formation  of  polarons  in  the  film. When  the 

doping  is  increased even  further,  the original peak at 2.3 eV disappears completely 

while the main absorption occurs at further lower energies within the infrared region, 

which indicates high concentration of bipolarons. 

a absorption b emission  

Figure 12. In an absorption (a)/emission (b) process an electron increases/decreases its energy 

with the same amount that has been absorbed/emitted in a photon.  

  11

Page 22: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

If  the  change  in  absorption  occurs  within  the  visible  range,  the  human  eye  will 

interpret this as a change of color. This means that the color of the film can reversibly 

be  controlled  via  the  doping  and  de‐doping  which  is  controlled  by  an  electrical 

addressing  signal.  This  effect  is  known  as  electrochromism  and  utilized  in  displays 

(section 4.2) 

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

0.0

0.2

0.4

0.6 0.0 V 0.7 V 0.9 V

Abs

Photon energy (eV) 

Figure 13. The graph shows the absorption spectrum of an electrochromic polymer (PProDOT‐

Hx2) at different applied potential which changed the doping level in the polymer film.  

 

 12 

Page 23: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

The  doping  level  of  conjugated  polymers  can  be  altered  through  reduction  or 

oxidation of the polymer film in an electrochemical cell. As discussed in the previous 

chapter,  a  change  in  doping  level  results  in  a modification  of  the  charge  carrier 

concentration, thus changing the fundamental electronic nature of the material. This 

effect  is  utilized  in  simple  electrochemical  devices  such  as  transistors  and 

electrochromic  displays.  In  this  chapter  the  basic  principles  of  electrochemistry  in 

organic electronic materials are discussed. 

3.1 Electrochemical cell

Chemical processes  involving an exchange of electrons are denoted electrochemical 

processes.  Conventional  chemical  reactions  are  controlled  by  the  concentration  of 

the chemical species and  their cross section  for spontaneous chemical  reactions.  In 

an electrochemical reaction the potential applied to electrodes adds another degree 

of freedom to control the reaction.  

 

Figure 14. A simple electrochemical cell with two electrodes and an electrolyte in between. The 

potential is applied so that the left electrode is reduced and the right electrode is oxidized. 

  13

 

 

 

3 Electrochemistry of conjugated polymers

Page 24: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

An  electrochemical  setup,  also  called  an  electrochemical  cell,  consists  of  two 

electrodes  and  an  electrolyte  that  connects  them  (Figure  14). When  a potential  is 

applied over the cell a current is able to flow through the cell and is a measure of the 

reaction  rate.  Each  electrode  and  the  surrounding  electrolyte  represent  a  half‐cell 

and therefore the reaction at one of the electrodes is called a half reaction. In order 

to have a closed circuit in the electrochemical cell (required for the flow of current), 

complementary  reactions  have  to  occur  at  the  two  electrodes.  Reduction, where 

electrons are consumed (at the  left electrode  in Figure 14) requires complementary 

oxidation, where electrons are generated (at the right electrode in Figure 14). Under 

these conditions the current will flow clockwise in the electrochemical cell according 

to the scheme given in Figure 14.  

3.2 Electrodes of conjugated polymers

An example of a half reaction in a conjugated polymer is the formation of a positive 

polaron through oxidation: 

−−+− +↔+ eXPXP :  

Here, P denotes an undoped site in the polymer and X – an anion. When the polymer 

is charged  the anion moves  inside  the polymer  film  to  stabilize  the positive charge 

(PP

+−−+

−+−++−

+). This  is referred to as electrochemical p‐doping. The n‐doping process  is similar 

but here instead, cations react with the polymer electrode material at the same time 

as electrons are delivered to the material at the electrode: 

↔++ MPeMP :  

Films of PEDOT:PSS  includes  immobile anions  that are  taking part  in  the p‐doping, 

therefore the half reaction is slightly different, moving cations in and out of the film 

to compensate the negatively charged PSS. 

++↔+ eMPSSPEDOTMPSSPEDOT ::  

When a potential  is applied between  the electrodes  in an electrochemical cell,  the 

ions migrate  in the electrical field that  is created within the cell. At equilibrium, the 

 14 

Page 25: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  3  –  ELECTROCHEMISTRY  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

high concentration of ions close to the electrode screens the electrical field from the 

bulk  of  the  electrolyte.  This  results  in  that  the major  part  of  the  potential  drop 

between  the  electrodes  occurs  at  the  electrode/electrolyte  interface  (Figure  15a). 

The  layer with most of  the potential drop  is called  the Helmholtz double  layer and 

consists of negative (positive) charge carriers in the electrode and cations (anions) in 

the electrolyte. The double layer is equivalent to a capacitance with a thickness of ∼3‐

5 Å, corresponding to the size of the  involved  ions. When a current passes through 

the cell, i.e. at non‐equilibrium, only part of the potential drop inside the cell occurs 

at the electrodes (Figure 15a). This means that a potential drop also occurs within the 

bulk of the electrolyte (Figure 15b) resulting in a flow of ions within the electrolyte. 

 

Figure 15. The potential profile within the electrolyte when a potential is applied. (a) shows the 

equilibrium case and (b) shows when a current is passing through the cell. In both cases most of 

the potential drop is over the Helmholtz layer at the electrode interface. 

The  dynamics  of  the  electrochemical  reaction  can  be  limited  by  the  reaction  rate 

itself along the electrodes, the electrical conductivity of the film or electrode, or the 

conductivity of the electrolyte. In non‐crystalline polymers the film is often porous so 

that  the  electrolyte  can penetrate  into  the  film making  the  interface between  the 

electrode  and  electrolyte  effectively  enormous  and  less well‐defined.  This  implies 

that the Helmholtz double layer that is built at the interface of the electrolyte and the 

electrode can be very  large and  in principle  include parts of the bulk electrode. This 

suggests that the reaction rate  is  limited either by the electronic conductivity of the 

  15

Page 26: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

film or by  the diffusion/drift of  ions  in  the  electrolyte.  Such  limitations have been 

observed  in  two  extreme  cases  (Figure  16)  where  in  the  first  situation  poly(3‐

hexylthiophene)  (P3HT)  is  p‐doped  in  acetonitrile  electrolyte[6]  and  in  the  second, 

PEDOT is undoped using solidified gelled electrolytes. P3HT, in its undoped state, has 

a very poor electronic conductivity. In this case, as a potential  is applied, the end of 

the film closest to the anode will start to be oxidized (and hence become doped). This 

will enhance the conductivity of the film allowing oxidation to occur further along the 

film. Eventually  the entire  film will be oxidized, as  the  front moves across  the  film 

starting from the anode. In the PEDOT:PSS system PEDOT is doped in its pristine state 

and  therefore highly conducting. Using a gelled electrolyte with  low water content 

gives a  low  ionic conductivity.  In a cell  including PEDOT:PSS as one of the electrode 

materials with a gelled electrolyte including a low water content, the ion diffusion in 

the electrolyte entirely dictates the switch characteristics. Therefore the reduction of 

the PEDOT:PSS film will start at the end closest to the counter electrode (the source 

of ions) and then move towards the cathode as a moving front. 

 

Figure 16.  (a) doping process of P3HT  in aqueous electrolyte with high  ionic conductivity.  (b) 

undoping of PEDOT:PSS in a gelled electrolyte of low ionic conductivity. 

Because PEDOT:PSS is partly doped from its synthesis, it is possible to further oxidize 

or  reduce  the  film.  Therefore  films  of  PEDOT:PSS  can  be  used  as  the  counter 

electrode  for either oxidation or reduction. When  the working electrode  is reduced 

the counter electrode has to be oxidized and since a 1:1 charge transfer  is required, 

one  reduced  species at  the working electrode  requires one oxidized  species at  the 

counter electrode. The doping fraction of pristine PEDOT:PSS films is very high[7] (for 

the  films used  in our  lab  it  is estimated  to be about 80% of  the maximum doping 

level). This means  that  the volume of  the counter electrode should be at  least  four 

times  larger  than  that of  the working electrode  to enable  full reduction  to occur at 

 16 

Page 27: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  3  –  ELECTROCHEMISTRY  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

the working electrode[8].  This  fact  is one  key  criterion  in designing electrochemical 

devices.  

3.3 Electrochemical measurements

Material  analysis  can  be  performed  using  electrochemical  measurements.  For 

example the energy levels (ionization potentials) of a polymer can be estimated using 

relatively simple measurement equipment. A simple model of conjugated polymers in 

electrochemical measurements  is  sketched  in  Figure  17 where  the  p‐doping  of  an 

undoped polymer is displayed. N‐doping is similar but a negative potential is applied 

to the electrode giving that electrons are injected into the polymer at the LUMO level 

instead. 

 

Figure 17. A sketch of an electrochemical process in conjugated polymers. (a) The Fermi level of 

the metal electrode is in the band gap of the polymer. (b) When a positive potential is applied 

to an electrode,  the  Fermi  level  is decreased, allowing  charge  transfer when  the  Fermi  level 

matches  the HOMO  level  of  the  polymer,  resulting  in  p‐doping  of  the  polymer  film.  (c)  The 

charge  in  the polymer  film  is  stabilized by  forming a polaron  resulting  in moving  the energy 

levels inside the band gap. 

In an experiment, where the potential is linearly swept cyclically around the p‐doping 

potential of a polymer, the current response would in principle be as in Figure 18. As 

the potential is increased the polymer is oxidized (p‐doped) and a positive current is 

measured. The width of  the current peak  is caused by  the disorder  in  the polymer 

that  causes  the  chains  in  the  film  to  have  varying  oxidation  potential. When  the 

potential  is decreased,  the p‐doped polymer  is  reduced  to  the neutral  state and a 

  17

Page 28: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

negative  current  is measured. Note  that  the  reduction  potential  is  lower  than  the 

oxidation  potential  because  of  the  relaxation  described  in  Figure  17c  where  the 

energy level of the p‐doped species is higher and therefore will be reduced at a lower 

potential compared to the oxidation. 

 

Figure  18.  Cyclic  voltammogram  expected  when  p‐doping  (and  dedoping)  a  polymer.  The 

oxidation and reduction occur at different potentials since relaxation in the polymer occurs as a 

consequence of electrochemical reactions. 

This  technique, where  the potential  is  repeatedly  swept up and down  in voltage  is 

called cyclic voltammetry (CV) measurement and is widely used to measure material 

characteristics and for evaluation of the electrochemical properties of compounds. In 

paper  2,  CV  measurements  have  been  used  to  look  at  the  oxidation  and  over‐

oxidation potential of various polymers.  In paper 3, a  similar experiment has been 

used, but  instead of cycling the potential, only one  linear sweep  is measured, called 

linear sweep voltammetry (LSV). 

3.4 Electrolytes

The electrolyte is the ionic conduction medium between the electrodes and can be in 

a  liquid,  solid  or  gelled  state.  Two  examples  of  common  solvents  used  in  liquid 

electrolytes  are  water  and  acetonitrile.  Water  is  polar  and  can  easily  dissolve 

common  salts, but  its  stable potential window  is quite narrow preventing accurate 

electrochemical measurements at higher potentials.  In contrast, acetonitrile  is more 

stable  and  offers  a  much  wider  potential  window  for  the  electrochemical 

 18 

Page 29: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  3  –  ELECTROCHEMISTRY  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

  19

measurements. Because acetonitrile  is  less polar, salt with  larger  ions are preferred, 

for  example  tetrabutylammonium  perclorate.  Liquid  electrolytes  are  suitable  for 

electrochemical  measurements,  but  in  devices,  solid  or  gelled  electrolytes  are 

preferred due to their non‐volatile nature. Solid electrolytes are usually based on ions 

mixed  in an  ion‐conducting matrix. For example the electrolyte system  in paper 5  is 

based  on  polyethylene  glycol  (PEG)  as  the  ion‐conducting  matrix  and  Lithium 

trifluoromethanesulfonate (LiF3CSO3) as the salt. Polyelectrolytes define another class 

of electrolytes which also contain ions – either polycations with smaller anions as the 

counter  ion  or  polyanions with  small  cations.  An  example  of  the  latter  is  poly(4‐

styrenesufonate)  (PSS)  that  contains  immobile  sulfonate  (‐SO3–)  ions  and  positive 

counter ions, such as sodium (Na+) or protons (H+). Gelled electrolytes consist mostly 

of  liquid  (usually  water)  and  a  solid  network  that  gives  the  gel  its  mechanical 

properties.  Because  of  the  high  liquid  content  they  have  normally  high  ionic 

conductivity.  

3.4.1 Ion transport

For  high  ionic  mobility,  easy  and  fast  transport  of  ions  through  the  material  is 

required. The transport mechanism for the ions depends on the type of electrolyte. In 

liquids the ions are surrounded by solvent molecules that follow the ions, creating a 

large package that has to be transported through the electrolyte. The viscous drag of 

this large package within the liquid electrolyte will then be the rate limiting factor for 

the ion transport. In solid electrolytes based on a polymer matrix, the flexibility of the 

chains in the amorphous phase of the material allows for the ions to be transported. 

Like walking through a crowded dance floor, the polymer chains make room for the 

ion to travel across the material. But this is not possible in a crystalline phase where 

the  material  is  densely  packed  and  does  not  have  enough  space  to  allow  fast 

transport of ions.  

3.4.2 Ionic conductivity

The current in an electrochemical cell can be assigned to two mechanisms: diffusion 

caused by a concentration gradient or drift due to an electrical field. The total current 

density is thus given by the Nernst‐Planck equation[9]: 

Page 30: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

cDVFczdiffusiondrift −=+= ∇μ − ∇JJJ  

where z  is the charge of the  ions (for example –1 or +2), c  is the concentration, F  is 

the  Faradays  constant  (∼96500  C/mol),  μ  is  the mobility  of  the  ions  and D  is  the 

diffusion  coefficient  which  is  proportional  to  the  mobility.  The  applied  potential 

creates a force that drives the ions in the direction of the field. This drift part of the 

current  is  intuitive,  but  the  applied  potential  can  also  build  up  a  concentration 

gradient,  through accumulation of electrochemical  reaction products. The  result of 

the  random movement  of  the  ions  is  a  net  flow  opposite  to  the  direction  of  the 

concentration  gradient,  being  the  diffusion  part  of  the  current. Which mechanism 

that  is  dominant  depends  on  the  ionic  conductivity  of  the  electrolyte  and  the 

geometrical conditions of the setup. 

The ionic conductivity (κ) of an electrolyte can be calculated from the potential drop 

(V) along the distance (l) and the current density which is the current (I) that passes 

through the cross section area (A): 

AVI l⋅=κ  

 

Figure 19. A simplified geometry for measuring the  ionic conductivity. I  is the current through 

the cell, V is the potential difference at a distance l and A is the area of the cross section of the 

ion path. 

One method  for measuring  the  ionic  conductivity  is  to  utilize  a  four‐point‐probe 

measurement[10],  which  in  comparison  to  the  more  common  two‐electrode 

 20 

Page 31: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  3  –  ELECTROCHEMISTRY  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

measurement is easier to analyze. This has been employed in paper 5 to measure the 

ionic conductivity of PEG based electrolyte at different temperatures. 

3.5 Over-oxidation

At  low  potentials  electrochemical  switching  of  conjugated  polymers  is  reversible, 

meaning that a  large number of reductions and oxidations can be done repeatedly. 

However,  degradation  of  the  electroactivity  has  been  observed  at  high  anodic 

potentials  in  polythiophenes[11‐13].  The  phenomenon  is  called  over‐oxidation  and 

reduces the potential window available for the reversible reactions. Over‐oxidation is 

an  irreversible  reaction  that  results  in  a  non‐conducting  and  electrochemically 

inactive film as it breaks the conjugation in the polymer chains. In a study by Barsch 

et.  al.  on  the  over‐oxidation  phenomenon  in  polythiophene  films[14],  electrolytes 

based  on  acetonitrile  with  different  concentrations  of  water  were  used  to 

electrochemically switch polythiophene films. They observed that both the degree of 

over‐oxidation  and  the  potential  at  which  it  occurs  is  highly  dependent  on  the 

amount  of  water  in  the  electrolyte.  They  proposed  a  mechanism  that  step‐wise 

degrades  the conjugation  in  the polymer  (Figure 20). This mechanism suggests  that 

first oxygen binds to the sulfur atom in the thiophene ring and then SO2 is detached 

from  the chain. After  losing  the conjugation  in  the polymer chain,  the backbone of 

the chain is ripped apart in the last step. 

S S

O

SO O

O OO

OH

O

O

OH

 

Figure 20. Proposed mechanism for over‐oxidation of polythiophene[14]. 

  21

Page 32: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

Even though a thorough study of the over‐oxidation of PEDOT has not been published 

yet,  it  is  reasonable  to  suspect  that  the  over‐oxidation  of  PEDOT  follows  a  similar 

mechanism.  Coulometry  measurements  on  PEDOT  suggest  SO2  formation  on  the 

thiophene rings[15]. Also  the Fourier transform  infrared spectroscopy measurements 

included in paper 3 support this hypothesis. 

The PEDOT films can be over‐oxidized in other ways, besides electrochemical, which 

lead to a degradation of the conductivity. Ultraviolet light in combination with oxygen 

is known to induce photo‐oxidation of the conjugated PEDOT material, resulting in a 

reduction in electrical conductivity. This photo‐oxidation leads to shorter conjugation 

lengths,  due  to  sulfone  group  formation  and  chain  scission  accompanied  by  the 

addition of carbonyl or carboxylic groups[7, 16]. Similar chemistry occurs upon heating 

in  air,  where  oxidative  degradation  of  conjugated  polymers  has  also  been 

reported[17].  Under  these  conditions,  the  conductivity  of  PEDOT  decreases 

exponentially with time according to an Arrhenius law[18] type of behavior. 

Over‐oxidation is one of the main sources of failure in many devices and is therefore 

avoided  as much  as  possible.  The mechanism  is  irreversible  and  results  in  a  non‐

conducting film phase which can be locally defined. Controlled electrochemical over‐

oxidation  can  be  used  as  a  method  for  deactivation  of  the  conductivity  in  a 

subtractive patterning process (see further in section 4.1 and paper 1). Because of its 

irreversibility, the over‐oxidation front propagation can be utilized in electrochemical 

timer and logger (see further in section 4.3 and paper 5). 

 22 

Page 33: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

For  more  than  30  years,  the  field  of  conducting  polymers  has  been  under 

development.  Major  progress  has  been  made  in  increasing  the  stability  and 

functionality  of  materials  for  various  applications.  One  of  the  most  simple 

applications  where  conducting  polymers  are  used  is  antistatic  coatings,  used  for 

example on photographic  foils[5]. More sophisticated applications  include new solar 

cells[19],  light  emitting  devices[20],  field  effect  transistors[21]  and  different 

electrochemical  devices[22‐26].  In  some  applications,  organic  materials  offer  better 

performance  or  new  functionalities  as  compared  to  their  inorganic  counterparts, 

exemplified  by  superior  performance  of  OLED  displays  compared  to  LCD  displays 

when  it comes to energy consumption, weight, color accuracy and viewing angle.  In 

other cases simplified manufacturing gives huge benefits in comparison with existing 

inorganic  technologies.  For  example,  using  flexible  substrates  and  low‐cost 

manufacturability makes the organic solar cell interesting despite their low efficiency. 

Another  technology  where  low manufacturing  costs  enable  new markets  is  RFID 

(radio  frequency  identification)  added  onto  packages  and  low  cost  surfaces.  Such 

device systems can be realized with organic circuitry made out of organic field effect 

transistors (OFET). Several companies are now targeting such RFID products for track 

and trace applications for logistics. 

One class of devices of special  interest for this thesis  is the electrochemical devices, 

including  electrochromic  displays[5,  26,  27],  electrochemical  transistors[24,  28]  and 

actuators[29, 30]. Electrochemical devices are robust and operating at  low voltage and 

well suited for manufacture using printing techniques. In these devices desired nano‐

features/dimension  are  spontaneously  formed  and  defined  by  the Helmholtz  layer 

that reduces the significance of controlling the film thickness that otherwise is crucial 

  23

 

 

 

4 Application of conjugated polymers

Page 34: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

for  the devices driven by charge  injection or  field effects. This makes  it possible  to 

manufacture  fully printed devices, which will give very  low manufacturing costs on 

for instance paper and other non‐ideal surfaces for electronics. A common drawback 

of these devices is limited ionic conductivity, which results in rather slow devices.  

4.1 Electrochemical over-oxidation patterning

The  benefits  of  organic  electronics  include  new  functionality, materials  with  low 

environmental  impact and  the possibility  to use printing  tools  in  the manufacturing 

process.  Printing  is  an  ancient  technology  that  has  been  developed  over  the  past 

centuries to be a fast and high volume production technique for reproducing text and 

images.  When  now  using  printing  for  manufacturing  organic  electrics,  a  well 

developed  technique with  little  need  for major modifications  is  available  for  high 

volume manufacturing of electronics.  Today, many different  techniques have been 

demonstrated for printing and patterning conducting polymers, such as inkjet[21, 31, 32], 

screen[33], offset[34], gravure[34] and  flexographic[34] printing  the most common being 

the inkjets and screen‐printing technology. These additive techniques can be used to 

print polymers and to create patterns down to resolutions of around 100 µm, which 

is enough  for  large area displays[32, 33] and solar cells[35]. Coated polymer  films often 

possess  better  and more  homogenous  solid‐state  properties  compared with  those 

printed  through additive processes. The coated  film can  then be patterned  through 

subtractive  patterning  techniques  such  as  chemical  deactivation  at  the  polymer 

surface  in which a chemical agent converts  the conjugated material to a non‐active 

material[36, 37]. These techniques are typically very slow and often require hazardous 

reagents, but most  importantly  the pattern  resolution  is  limited by diffusion of  the 

agent  into  and  along  the  polymer  film.  Plasma‐etching  techniques  can  be  used  in 

combination with  photolithography;  however,  these  techniques  require  a  vacuum 

and are  typically not suitable  for  low‐cost roll‐to‐roll processing. Another  technique 

for subtractive patterning of conductive films of PEDOT:PSS is to use electrochemical 

over‐oxidation  (ECO). As described  in section 3.5, over‐oxidation  is an electronically 

controlled,  irreversible  process  that  results  in  a  non‐conducting  film.  ECO  can  be 

utilized  in  combination  with  various  patterning  tools  and  offers  an  electrically 

 24 

Page 35: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  4  –  APPL ICATION  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

controlled  deactivation method.  It  can  be  used  together with  photolithography  to 

achieve high  resolution µ‐patterns or be used  in a  screen printing  step  in order  to 

produce  patterns  at  high  volumes  in  a  roll‐to‐roll  process.  The  conductivity  ratio 

between the conducting and insulating parts of a patterned film can reach 107, which 

is enough for various simple electronics with relatively low packing density. 

 

 

Figure 21. The Nilpeter printing press, within  the Printed Electronics Arena Manufacturing,  is 

used to print organic electronics. © Niclas Kindahl, Fotofabriken. 

In  recent  years  Acreo  AB  in  Norrköping  has,  in  collaboration  with  Linköping 

University, developed a process  for a Nilpeter printing press  (Figure 21)  to produce 

electrochemical devices  in a  roll‐to‐roll process. The  starting material  is Orgacon™, 

which  is  a  pre‐coated  PEDOT:PSS  thin  film,  here  deposited  on  paper  or  plastic 

substrates,  supplied by Agfa‐Gevaert  in Belgium. Manufacturing of electrochemical 

devices then basically requires only three printing steps. First, subtractive patterning 

of the Orgacon™ through ECO patterning in a screen printing step results in a pattern 

with a resolution down to 100 µm at around 5 – 50 meters per minute.  In the next 

  25

Page 36: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

step, the electrolyte is applied in another screen‐printing step. Finally, the devices are 

encapsulated, by a plastic film, for mechanical protection. This Nilpeter printing press 

is small and simple but at 5 meters per minute  it can produce more than 50 million 

devices (1 dm²) each year. 

4.2 Electrochromic display

The  color  of  conjugated  polymers  can  be  changed  reversibly  by  controlling  their 

doping  level while  they  are  included  as  electrode  in  an  electrochemical  cell.  This 

effect is utilized in the electrochromic displays (ECD) where an electrical signal is used 

to  change  the  color  state  of  the  display.  ECDs  can  be  used  in  different  types  of 

applications such as  in smart windows  to control  the  transmission of sunlight[38], as 

simple  indicators  in  smart package applications or as  the  individual display pixel  in 

matrix addressed e‐paper[22, 39]. 

Usually, the electrochromic (EC) polymer is cast or coated on a conducting electrode, 

such  as  onto  indium  tin  oxide  (ITO)  or  gold,  to  achieve  transparent  or  reflective 

device  configurations,  respectively.  But  if  the  electrochromic  polymer  has  high 

intrinsic  conductivity  in both  the doped and de‐doped  states,  there  is no need  for 

such  conducting  substrate  electrode;  the  electrochromic  polymer  can  be  its  own 

electrode.  This  gives  a  simplified  device  architecture  that  also  is  simpler  to 

manufacture. For  this  reason polymers  like PEDOT, with high  intrinsic  conductivity, 

have  received major  attention  in  ECDs[26].  The  ease  of  processing  PEDOT:PSS  has 

encouraged  scientists  for  instance  at  Acreo  AB  in  Norrköping  to  develop  an  all‐

organic  display  on  paper  substrates  in  collaboration  with  the  Organic  Electronics 

group  at  Linköping  University[40].  These  displays  are  flexible,  lightweight  and  can 

easily be manufactured into any shape or design. In Figure 22 seven‐segment displays 

are  shown  that have been demonstrated by LiU and Acreo. The PEDOT:PSS display 

has  clear  color  switching  between  blue  color  in  the  reduced  state  and  nearly 

transparent in the oxidized state. 

 26 

Page 37: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  4  –  APPL ICATION  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

 

Figure 22. Two seven‐segment digits made with ECD  in PEDOT:PSS. The display  is made with 

printable  techniques by Acreo AB and Organic Electronics at  Linköpings University. © Niclas 

Kindahl, Fotofabriken. 

Even  though  the  color  switch  contrast  of  PEDOT:PSS  displays  are  satisfied  for 

indicators and simple displays, higher contrast is desirable for improved performance 

in more  advanced displays.  Several  routes have been presented  for  improving  the 

optical contrast of PEDOT:PSS displays. Admassie et. al. introduced a grating pattern 

(µm‐scale)  in  the  PEDOT:PSS  film  that  through  diffraction  highly  increased  the 

absorption of the PEDOT:PSS film compared to an unpatterned film[41]. With the right 

material choice, this method can be used for improvement of the optical contrast. 

The most common method, though, is to add an extra EC polymer that complements 

the color of PEDOT:PSS. For significant improvement of the optical contrast, the dark 

state should complement the blue color of PEDOT:PSS and together cover as much as 

possible of  the  visible  spectrum. At  the  same  time,  the uncolored  state  should be 

highly transparent at all optical wavelengths in order to provide nearly a translucent 

state. 

The extra EC polymer material can be added to the ECD structure  in different ways 

depending  on  its  optical  and  electrochemical  properties  (Figure  23). When  the  EC 

polymer  has  opposite  coloring  polarity  as  compared  to  PEDOT,  i.e.  colored while 

oxidized and transparent when  it  is reduced, the extra EC film  is best utilized as the 

counter electrode  in vertical structures (Figure 23a). Contrary,  if the EC polymer has 

the same optical “polarity” as PEDOT it is better included as a film on top of the active 

  27

Page 38: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

PEDOT:PSS  electrode,  which  can  be  either  in  a  vertical  (Figure  23b)  or  lateral 

structure  (Figure  23c).  Usually  the  rate  limiting  step  in  the  displays  is  the  ionic 

conductivity of the electrolyte, which means that a vertical display will switch faster 

and  more  homogeneously.  However,  a  lateral  structure  offers  a  more  simplified 

manufacturing process.  

PEDOT PEDOT PEDOT

Electrolyte Electrolyte

Substrate Substrate Substrate

Substrate SubstratePEDOT PEDOT

a b c

EC‐polymer

EC‐polymer

EC‐polymer

Electrolyte

 

Figure 23. Different ways to improve the contrast in an ECD. 

In paper 3 and paper 4, the improvement of optical contrast is discussed. The work in 

paper  3  is  focused  on  the  design  rules  for  choosing  materials  in  contrast 

improvement  of  PEDOT:PSS  displays.  Here  transmissive  measurements  were 

conducted  with  a  standard  absorption  spectrometer  using  transparent  plastic 

substrates (PET‐foils). 

But  the  observed  switch  contrast  values  of  the  transmissive  displays  presented  in 

paper  3  cannot  be  directly  translated  to  reflective  display.  Paper  displays  are 

interesting from a device point‐of‐view, therefore the work presented in paper 4 was 

angled  towards devices  and  important parameters used  in  applications.  ECDs with 

paper  substrates manufactured  in  the  printing  press were modified  by  adding  an 

extra layer of an EC‐polymer. Both contrast and switching speed measurements was 

based on reflective setups. 

There are  several practical  issues  that put constrains on  the design of printable EC 

devices.  The main  problem  is  to  choose  an  electrolyte  that  has high  enough  ionic 

conductivity, to achieve reasonably fast switching,  is printable and also gives proper 

mechanical stability. The electrolyte should also maintain  its high  ionic conductivity 

even after long storage times in dry conditions. This turns out to be a great challenge 

as high  ionic conductivity usually requires high water content, which eventually will 

evaporate  in dry  storage  conditions. One  route  could be  to use encapsulation  that 

 28 

Page 39: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  4  –  APPL ICATION  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

  29

does not allow the drying out of the electrolyte, but water molecules are small and 

can go through most materials. Only metal films could give the desired protection but 

those are not transparent and cannot be used for displays. Different plastic films are 

not dense enough but could be noticeably  improved by using additives such as clay 

nano‐particles. Scientists are working hard to  improve the barrier function of plastic 

films but the materials are expensive and still not good enough as a barrier for water 

molecules. Another  route  could be  to develop electrolyte materials with high  ionic 

conductivity  also  at  low  humidity  levels  and  only  use  the  encapsulation  as  a 

mechanical protection. 

Another issue that has to be considered as well is the design of the counter electrode. 

As mentioned  earlier  any  electrochemical  half  reaction must  be  balanced  in  the 

counter electrode. When using PEDOT  in the counter electrode, care must be taken 

to  ensure  that  enough  redox  sites  are  available  for  active  electrode  to  be  fully 

switched.  In a  lateral design with  the  same  film  thickness,  the area of  the  counter 

electrode should be at least four times larger than the active pixel (see section 3.2). 

4.2.1 CIE Lab coordinates

The light that escapes from an illuminated or luminescent object is nothing more that 

a spectrum of photons of various wavelengths and  intensities. When  that  light hits 

our eyes, it is absorbed by the rods and cones on the retina, transformed into nerve 

signals and translated into a perception of color in the brain. Because humans have a 

three‐dimensional color space  (given by the three different cones that are sensitive 

to different  colors), many of  the  existing  color  systems have  three  coordinates.  In 

light emitting devices, three pixels with red, green and blue (RGB) color are used to 

span  the color space. The RGB color system  is practical  for creating a display but  is 

actually not a good description of the full color space accessible with human eyes. In 

1931,  the  International Commission on  Illumination  (Commission  Internationale de 

l'Eclairage, CIE) developed a model defining colors by three coordinates by X, Y and 

Z[42], corresponding to different biological receptors in the human eye (Figure 24). 

Page 40: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

 

Figure 24. The experimentally measured  x ,  y  and  z , which correspond  to  the sensitivity of 

the various receptors in the human eye. 

The model was  improved in 1976 to be able to further adapt to the way the human 

eye perceives  colors by  introducing  the CIE  L*a*b*  color  system[42], where  the non‐

linear  behavior  of  the  eye  is  considered.  In  the  CIE  L*a*b*  system  the  color  is 

represented by L*, a* and b* coordinates. L* gives the luminance (lightness), while the 

chroma is given by the values of the a* and b* (Figure 25). L* has values from 0 (dark) 

to 100 (light), a* goes from –128 (green) to 127 (red) and b* goes from –128 (blue) to 

127 (yellow). 

 

Figure 25. The CIE L*a*b* color system.  

 30 

Page 41: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  4  –  APPL ICATION  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

X,  Y  and  Z  need  to  be  calculated  first  in  order  to  estimate  the  L*,  a*  and  b* 

coordinates. Say  that  the  light  reflected or emitted  from an object has a  spectrum 

given by I (λ). Then X, Y and Z are given by: 

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) λλλ

λλλ

λλλ

dIZ

dIY

dIX

⋅⋅=

⋅⋅=

⋅⋅=

∫∫∫

z

y

x

 

where  x ,  y  and  z are the experimentally computed spectra (Figure 24) for the X, Y 

and Z coordinate respectively. From the X, Y and Z the L*, a* and b* coordinates can 

be calculated by correcting the coordinates with the white point: XN, YN and ZN in the 

following expression: 

⎟⎟

⎜⎜

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

⎟⎟

⎜⎜

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

31

31

31

31

3

200*

500*

16116*

NN

NN

N

ZZ

YY

b

YY

XX

a

YY

L

1

 

These equations are valid for X/XN, Y/YN and Z/ZN greater than 0.008856. With these 

equations,  the  color of  an object,  and  also  a polymer  film,  can be  represented by 

three  independent coordinates  that  indicate how our eyes measure  the color of an 

object.  The  coordinate  of  the white  point  is  chosen  to  follow  different  standards 

depending on the lighting condition. For measuring on paper in bright conditions, the 

D65 10° standard observer is used, measured to be XN = 94.81, YN = 100.00 and ZN = 

107.30 by CIE[42]. The difference between two colors can be defined as the distance in 

the  color  space,  ΔE*,  using  ΔL*,  Δa*  and  Δb*  as  the  difference  in  the  individual 

coordinates: 

( ) ( ) ( )222 **** baLE Δ+Δ+Δ=Δ  

  31

Page 42: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

4.3 Electrochemical timer and logger

An electrochemical timer can be used to keep track of time. It is a simple component 

that  is  easy  to manufacture.  An  electrochemical  timer  can  be  realized  with  two 

electrodes  of  PEDOT:PSS  in  a  lateral  configuration, where  one  electrode  acts  as  a 

timer‐stripe and  the other as a counter electrode. A gelled or solid electrolyte with 

low  ionic  conductivity  connects  the  two  electrodes  (Figure  26a).  As  described  in 

section 3.2, the applied potential drives a front of electrochemical reaction through 

the  timer‐stripe  (Figure  26b).  There  are  two modes  for  driving  the  timer:  either 

applying a negative potential to start a reduction front or a high positive potential for 

an  over‐oxidation  front.  Both  the  reduction  and  over‐oxidation  highly  reduces  the 

conductivity, which can be used to detect the position of the front by monitoring the 

potential  in  the  timer‐stripe  (Figure 26d). The  reduction  front  is also  clearly  visible 

due  to  the  color difference between  the  reduced  and  the pristine  PEDOT:PSS  film 

while  the  irreversible  nature  of  the  over‐oxidation  reaction  allows  for  long  term 

storage of the position of the front. 

 

Figure 26. A sketch of an electrochemical timer  in progress (a‐c). Applying 5 V starts an over‐

oxidation front that propagates through the timer stripe (right electrode). The sensing fingers 

measure the potential and can be used to monitor the position of the front (d). 

Timers can also be made as sensors for different parameters, such as temperature or 

humidity. For example a temperature dependent timer, where the propagation of the 

front depends on temperature, can be realized by using an electrolyte with a phase 

transition at a desired temperature. The ionic conductivity of the electrolyte changes 

 32 

Page 43: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  4  –  APPL ICATION  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

dramatically upon a phase transition, such as melting or crystallization. Of course the 

ionic  conductivity  in  all  electrolytes  is  temperature  dependent  but  the  specific 

temperature  dependent  timer  described  above  is  much  more  affected  by  the 

temperature  than  ordinary  timers with  electrolytes without  a  phase  transition.  In 

paper 5 such a timer has been realized and is described further. 

By  branching  one  temperature  independent  timer†  and  connecting  an  array  of 

temperature dependent  timers  to  it  (Figure 27), a system  is created  for  logging  the 

temperature history. The temperature independent timer keeps track of the time and 

one  by  one  shuts  down  the  branched  timers  that  are  tracking  the  temperature. 

Therefore  the  information  in  each  temperature  dependent  timer  is  based  on  the 

temperature  history  from  start  to  the moment  the  front  passed  and  cut  off  the 

potential to that timer. 

 

Figure  27.  Sketch  of  a  logger  with  a  temperature  independent  timer  (on  the  top)  that  is 

branched and connected to an array of temperature dependent timers. The potentials are such 

that over‐oxidation fronts are propagating in all timers.  

For  the  logger  device,  an  over‐oxidation  front  has  to  be  used  to  retain  the 

information until the end of the run. The easiest way to read out the information, i.e. 

find out  the positions of  the over‐oxidation  fronts  in each  timer,  is by optical  read 

                                                  

† A timer with less temperature dependence than a timer with a phase changing electrolyte. 

  33

Page 44: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

out.  But  because  the  optical  contrast  between  the  pristine  and  over‐oxidized 

PEDOT:PSS  is  low,  the  active  (not  over‐oxidized)  part  of  the  electrode  has  to  be 

reduced,  chemically  or  electrochemically.  This  will  create  the  necessary  optical 

contrast for knowing the position of the over‐oxidized fronts. The temperature logger 

is presented in more detail in paper 5.  

 34 

Page 45: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

References 1.  Bardeen,  J.  and  W.H.  Brattain,  The  Transistor,  A  Semi‐Conductor  Triode. 

Physical Review, 1948. 74(2) p. 230. 

2.  Chiang,  C.K.,  et  al.,  Electrical  Conductivity  in  Doped  Polyacetylene.  Physical review letters, 1977. 39(17) p. 1098‐1101. 

3.  http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2000. 

4.  Kittel, C.,  Introduction  to  solid  state physics. 7th ed. ed. 1996:  John Wiley & Sons Inc. 

5.  Groenendaal, B.L., et al., Poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) and  its derivatives: Past, present, and future. Advanced Materials, 2000. 12(7) p. 481‐494. 

6.  Johansson, T., N.K. Persson, and O. Inganas, Moving redox fronts in conjugated polymers  studies  from  lateral  electrochemistry  in  polythiophenes.  Journal  of the Electrochemical Society, 2004. 151(4) p. 119‐24. 

7.  Crispin, X., et al., Conductivity, morphology, interfacial chemistry, and stability of poly(3,4‐ethylene dioxythiophene)‐poly(styrene  sulfonate): A photoelectron spectroscopy study. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 2003. 41(21) p. 2561‐2583. 

8.  Larsson, O., Empirical parameterization of organic electrochemical transistors, in ITN. 2004, Linköpings University: Norrköping. 

9.  Hamann, C.H. and A. Hamnett, Electrochemistry. 2007, Weinheim: Wiley‐VCH. 

10.  Cahan,  B.D.  and  J.S.  Wainright,  AC  Impedance  Investigations  of  Proton Conduction in Nafion. Journal of The Electrochemical Society, 1993. 140(12) p. L185‐L186. 

11.  Ahonen,  H.J.,  J.  Lukkari,  and  J.  Kankare,  n‐  and  p‐Doped  Poly(3,4‐ethylenedioxythiophene): Two Electronically Conducting States of the Polymer. Macromolecules, 2000. 33(18) p. 6787‐6793. 

12.  Krische, B. and M. Zagorska, Overoxidation  in conducting polymers. Synthetic Metals  ‐  International  Conference  on  Science  and  Technology  of  Synthetic Metals (ICSM '88), 26 June‐2 July 1988, 1989. 28(1‐2) p. 257‐62. 

13.  Pigani,  L.,  et  al.,  Electropolymerisation  of  3,4‐ethylenedioxythiophene  in aqueous solutions. Electrochemistry Communications, 2004. 6(11) p. 1192‐8. 

14.  Barsch,  U.  and  F.  Beck,  Anodic  overoxidation  of  polythiophenes  in  wet acetonitrile electrolytes. Electrochimica Acta, 1996. 41(11‐12) p. 1761‐1771. 

15.  Zotti, G., et al., Conductive and Magnetic Properties of 3,4‐Dimethoxy‐ and 3,4‐Ethylenedioxy‐Capped Polypyrrole and Polythiophene. Chemistry of Materials, 2000. 12(10) p. 2996‐3005. 

  35

Page 46: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

ELECTROCHEMICAL  SWITCHING   IN  CONDUCTING  POLYMERS  –  PRINTING  PAPER  ELECTRONICS  

16.  Marciniak, S., et al., Light induced damage in poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) and  its  derivatives  studied  by  photoelectron  spectroscopy.  Synthetic Metals, 2004. 141(1‐2) p. 67‐73. 

17.  Mohammad,  F.,  P.D.  Calvert,  and  N.C.  Billingham,  FT‐IR  studies  on  thermal degradation of electrically conducting polymers. Synthetic Metals, 1994. 66(1) p. 33‐41. 

18.  Rannou, P. and M. Nechtschein, Ageing of poly(3,4‐ethylenedioxythiophene): Kinetics of conductivity decay and lifespan. Synthetic Metals, 1999. 101(1‐3) p. 474. 

19.  Brabec,  C.J.,  et  al.,  Realization  of  large  area  flexible  fullerene  ‐‐  conjugated polymer  photocells:  A  route  to  plastic  solar  cells.  Synthetic  Metals,  1999. 102(1‐3) p. 861‐864. 

20.  Burroughes,  J.H., et al., Light‐emitting diodes based on conjugated polymers. Nature, 1990. 347(6293) p. 539‐541. 

21.  Sirringhaus, H., et al., High‐Resolution Inkjet Printing of All‐Polymer Transistor Circuits. Science, 2000. 290(5499) p. 2123‐2126. 

22.  Andersson,  P.,  et  al.,  Active  Matrix  Displays  Based  on  All‐Organic Electrochemical  Smart  Pixels  Printed  on  Paper.  Advances  Materials,  2002. 14(20) p. 1460‐1464. 

23.  Chen, M., et al., Electric current rectification by an all‐organic electrochemical device. Applied Physics Letters, 2002. 81(11) p. 2011‐2013. 

24.  Nilsson,  D.,  et  al.,  Bi‐stable  and  Dynamic  Current  Modulation  in Electrochemical Organic Transistors. Advances Materials, 2002. 14(1) p. 51‐54. 

25.  Pei,  Q.,  et  al.,  Polymer  light‐emitting  electrochemical  cells.  Science,  1995. 269(5227) p. 1086‐1088. 

26.  Pei,  Q.,  et  al.,  Electrochromic  and  highly  stable  poly(3,4‐ethylenedioxythiophene) switches between opaque blue‐black and transparent sky blue. Polymer, 1994. 35(7) p. 1347‐1351. 

27.  De  Paoli,  M.A.,  et  al.,  All  polymeric  solid  state  electrochromic  devices. Electrochimica Acta, 1999. 44(18) p. 2983‐2991. 

28.  Nilsson,  D.,  et  al.,  Electrochemical  logic  circuits.  Advanced Materials,  2005. 17(3) p. 353‐358. 

29.  Jager, E.W.H., O.  Inganas, and  I. Lundstrom, Microrobots  for Micrometer‐Size Objects  in  Aqueous  Media:  Potential  Tools  for  Single‐Cell  Manipulation. Science, 2000. 288(5475) p. 2335‐2338. 

30.  Smela, E., O. Inganäs, and I. Lundström, Controlled Folding of Micrometer‐Size Structures. Science, 1995. 268(5218) p. 1735‐1738. 

 36 

Page 47: Electrochemical Switching in Conducting Electronicsliu.diva-portal.org/smash/get/diva2:54538/FULLTEXT01.pdf · ELECTROCHEMICAL SWITCHING IN CONDUCTING POLYMERS – PRINTING PAPER

CHAPTER  4  –  APPL ICATION  OF  CONJUGATED  POLYMERS  

  37

31.  Voit, W., et al.  Inkjet printing of well‐adapted PEDOT‐PSS dispersions.  in Final Program  and  Proceedings  of  IS  and  T's  NIP20:  International  Conference  on Digital  Printing  Technologies,  Oct  31‐Nov  5  2004.  2004.  Salt  Lake  City,  UT, United  States:  Society  for  Imaging  Science  and  Technology,  Springfield,  VA 22151, United States. 

32.  Bharathan,  J.  and  Y.  Yang,  Polymer  electroluminescent  devices  processed  by inkjet  printing:  I.  Polymer  light‐emitting  logo.  Applied  Physics  Letters,  1998. 72(21) p. 2660‐2662. 

33.  Pardo,  D.A.,  G.E.  Jabbour,  and  N.  Peyghambarian,  Application  of  Screen Printing  in  the  Fabrication  of  Organic  Light‐Emitting  Devices.  Advanced Materials, 2000. 12(17) p. 1249‐1252. 

34.  Huebler, A.C., et al., Ring oscillator  fabricated completely by means of mass‐printing technologies. Organic Electronics, 2007. 8(5) p. 480‐486. 

35.  Krebs, F.C., et al., Production of large‐area polymer solar cells by industrial silk screen  printing,  lifetime  considerations  and  lamination  with polyethyleneterephthalate. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2004. 83(2‐3) p. 293‐300. 

36.  Agfa‐Gevaert,  Patterning  Orgacon™  film  by  means  of  UV  lithography, Guidelines. 2001. 

37.  Yoshioka,  Y.,  P.D.  Calvert,  and  G.E.  Jabbour,  Simple  Modification  of  Sheet Resistivity of Conducting Polymeric Anodes via Combinatorial  Ink‐Jet Printing Techniques. Macromolecular Rapid Communications, 2005. 26(4) p. 238‐246. 

38.  H.W. Heuer, R.W.S.K., Electrochromic Window Based on Conducting Poly(3,4‐ethylenedioxythiophene)‐Poly(styrene  sulfonate).  Advanced  Functional Materials, 2002. 12(2) p. 89‐94. 

39.  Andersson,  P.,  et  al.,  Printable  All‐Organic  Electrochromic  Active‐Matrix Displays. Advanced Functional Materials, 2007. 17(16) p. 3074‐3082. 

40.  Berggren, M.,  D.  Nilsson,  and  N.D.  Robinson,  Organic materials  for  printed electronics. Nat Mater, 2007. 6(1) p. 3‐5. 

41.  Admassie,  S.  and  O.  Inganas,  Electrochromism  in  Diffractive  Conducting Polymer  Gratings.  Journal  of  The  Electrochemical  Society,  2004.  151(6)  p. H153‐H157. 

42.  Berns,  R.S.,  Billmeyer  and  Saltzmann  Principles  of  Color  Technology.  3rd  ed. 2000: John Wiley & Sons, Inc.