CN101196489A - 有机薄膜三极管传感器、制作方法及用途 - Google Patents

有机薄膜三极管传感器、制作方法及用途 Download PDF

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有机薄膜三极管传感器、制作方法及用途，近年来，气体和气味分析的有机气体传感器和感应器阵列的使用已经吸引了很多研究者的关注。本发明是通过测量有机三极管传感器工作电流的变化，实现特定气体微量的测定的有机三极管传感器。有机薄膜三极管传感器，其组成包括：铝蒸发膜构成的栅极，所述的铝蒸发膜栅极两侧具有有机半导体的酞菁铜薄膜，两者之间形成肖特基壁垒，源极和漏极采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，所述的漏极为多孔的金电极，所述的漏极和酞菁铜之间具有有机气体敏感膜。

Description

有机薄膜三极管传感器、制作方法及用途
技术领域：
本发明涉及一种有机材料的薄膜三极管。
背景技术：
近年来，有机薄膜三极管、有机发光二极管，有机气体传感器，以及有机发光二极管的研究，已从有机小分子半导体材料扩展到导电共扼高聚物，并把焦点集中在器件的物理机构和改善器件的性能以达到实用化水平上。如有机薄膜三极管集成电路、有机发光二极管显示面板和有机气体传感器等。有机小分子和高聚物的电气特性和器件的研究，现在统称为塑料电子学。
近年来，气体和气味分析的有机气体传感器和感应器阵列的使用已经吸引的很多研究者的关注。研究方面主要有；可测量气体范围宽，重复性好，很高的气体选择性和传感器的稳定性。使研究的有机气体传感器或称有机电子鼻的具有学习，存储和各种气体的识别能力。有机气体传感器期望用于包括食物处理，环境保护，农业生产和医学诊断。有机三极管由于有制造成本低、柔性好等优点。研究有机三极管的机能层材料种类繁多，可采用有机小分子、共扼低聚物和共扼高聚物，以及合成加入各种机能基进行分子修饰等方法，使其具有各种电气化学特性。
发明内容：
发明的目的是提供一种通过测量有机三极管传感器工作电流的变化，实现特定气体微量的测定的有机三极管传感器。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
有机薄膜三极管传感器，其组成包括：铝蒸发膜构成的栅极，所述的铝蒸发膜栅极两侧具有有机半导体的酞菁铜薄膜，两者之间形成肖特基壁垒，源极和漏极采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，所述的漏极为多孔的金电极，所述的漏极和酞菁铜之间具有有机气体敏感膜。
所述的有机薄膜三极管传感器，所述的酞菁铜可采用镧系金属配合物的双核酞菁、稀土金属配位的三明治结构酞菁、16氟取代的酞菁锌。
所述的有机薄膜三极管传感器的制作方法，首先在玻璃基板上制作金蒸发膜源电极，然后制作第一层CuPc蒸发膜，和制作薄膜铝栅极及第二层CuPc薄膜，最后制作金蒸发膜漏电极。试样制作的条件是，CuPc的蒸发温度为400℃、基板温度为室温20℃，上下二层CuPc薄膜膜厚由蒸发时间控制、蒸发速度为3nm/min。上下二层CuPc薄膜膜厚度分别为70nm，130nm，半导电薄膜铝栅极厚度为20nm。
所述的有机薄膜三极管传感器在特定气体微量的测定当面的应用。
这个技术方案有以下有益效果：
1.有机三极管传感器，具有结构为ITO(emitte)/CuPc/Al(base)/CuPc/Au(collector)叠层结构的有机三极管传感器(Vertical Type CurrentChannel of Quasi-conductor Al Gate Organic Semiconductor CopperPhthalocyanine Thin Film sensors；VOTFTS)。利用有机遂穿三极管的大电流增益的优点，使用代表性有机半导体材料酞菁铜(copper phthalocyanine：CuPc)，特定气体如O2，NO2被有机三极管传感器的发射区有机薄膜吸附时，发生氧化还原反应，相当于施主或受主搀杂作用，导致有机膜内载流子变化。使由源极发射的载流子增加或减少，遂穿CuPc/Al/CuPc双肖特基势垒栅极区域形成工作电流发生改变。通过测量有机三极管传感器工作电流的变化，实现特定气体微量的测定。
2.参照图1，在固体酞菁膜中吸附O2，MPc与O2的化学反应促进电子的移动，O2起到了电子捕获陷阱的作用：MPc，O2+e-MPc，O2 -。
酞菁晶体吸附了NO气体后电导会发生很大的变化，在φ(NO)为5×10-9-5×10-9情况下有较高的灵敏度。通过对酞菁系材料修饰引入机能基，如镧系金属配合物的双核酞菁、稀土金属配位的三明治结构酞菁、16氟取代的酞菁锌[2]，可以制作针对多种气体的传感器。
这种具有叠层结构的有机三极管传感器利用了VOTFT极高的电流增益，使发射区有机薄膜吸附时，发生氧化还原反应，相当于施主或受主搀杂作用，导致有机膜内载流子变化。特定气体如O2，NO2，H2，被有机三极管传感器的发射区有机薄膜吸附时，发生氧化还原反应，相当于施主或受主搀杂作用，导致发射极有机膜内载流子变化，注入半导电铝薄膜基极，改变肖特基势垒的高度，驱动有机遂穿三极管。由源极发射的载流子增加或减少，遂穿CuPc/Al/CuPc双肖特基势垒栅极区域的工作电流发生改变。
通过测量有机三极管传感器工作电流的变化，实现特定气体的测定。与有机化学传感器或有机场效应三极管相比，具有好的信号转换能力。输出的电流信号容易处理。
3.有机三极管传感器的制作研究
在本产品中采用具有良好的化学稳定性和耐热性CuPc，已作为代表性有机气敏研究的材料。CuPc呈典型的本征P形有机半导体材料。本发明研究的有机三极管传感器结构是由ITO_(collector)/CuPc/Al(base)/CuPc/Au(emitte)五层或六层构成。栅极是铝蒸发膜，通过调节铝蒸发源与试样间的距离和蒸发时间控制各层蒸发膜的厚度。源极和漏极采用与CuPc蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜。
附图说明：
图1是有机三极管传感器的结构图，结构为玻璃基板/Au(collector)/CuPc/Al(base)/CuPc/Au(emitte)。
图2是有机三极管吸附氧气时，载流子产生和注入基极区域使势垒变化ΔΦ的能带图。
本发明的具体实施方式：
实施例1：
有机薄膜三极管传感器，其组成包括：铝蒸发膜构成的栅极(基极)，所述的铝蒸发膜栅极两侧具有有机半导体的酞菁铜薄膜，两者之间形成肖特基壁垒，源极(集电极)和漏极(发射极)采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，所述的漏极为多孔的金电极，所述的漏极和酞菁铜之间具有有机气体敏感膜。整体附着在玻璃基板上。
实施例2：
实施例1所述的有机薄膜三极管传感器中，所述的酞菁铜可采用镧系金属配合物的双核酞菁、稀土金属配位的三明治结构酞菁、16氟取代的酞菁锌替代。
实施例3：
实施例1或2所述的有机薄膜三极管传感器的制作方法，首先在玻璃基板上制作金蒸发膜源电极，然后制作第一层CuPc蒸发膜，和制作薄膜铝栅极及第二层CuPc薄膜，最后制作金蒸发膜的多孔漏电极。试样制作的条件是，CuPc的蒸发温度为400℃、基板温度为室温20℃，上下二层CuPc薄膜膜厚由蒸发时间控制、蒸发速度大约为2-4nm/min之间，一般3nm/min左右。上层CuPc薄膜膜厚度分别大约为60-80nm，比如70nm，下层的CuPc薄膜膜厚度分别大约为120-140nm之间，大约130nm，半导电薄膜铝栅极厚度大约为15-30nm之间，比如20nm。
实施例4：
上述的有机薄膜三极管传感器在特定气体微量的测定方面的应用。

Claims (4)

1.一种有机薄膜三极管传感器，其组成包括：铝蒸发膜构成的栅极，其特征是：所述的铝蒸发膜栅极两侧具有有机半导体的酞菁铜薄膜，两者之间形成肖特基壁垒，源极和漏极采用与酞菁铜蒸发膜成欧姆性接触的金蒸发膜，所述的漏极为多孔的金电极，所述的漏极和酞菁铜之间具有有机气体敏感膜。
2.根据权利要求1所述的有机薄膜三极管传感器，其特征是：所述的酞菁铜可采用镧系金属配合物的双核酞菁、稀土金属配位的三明治结构酞菁、16氟取代的酞菁锌。
3.一种权利要求1或2所述的有机薄膜三极管传感器的制作方法，其特征是：首先在玻璃基板上制作金蒸发膜源电极，然后制作第一层CuPc蒸发膜，和制作薄膜铝栅极及第二层CuPc薄膜，最后制作金蒸发膜漏电极。试样制作的条件是，CuPc的蒸发温度为400℃、基板温度为室温20℃，上下二层CuPc薄膜膜厚由蒸发时间控制、蒸发速度为3nm/min。上下二层CuPc薄膜膜厚度分别为70nm，130nm，半导电薄膜铝栅极厚度为20nm。
4.一种权利要求1、2、3所述的有机薄膜三极管传感器在特定气体微量的测定方面的应用。
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