CN106226378B - 一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器及其制备方法，它包括从下到上依次设置的衬底、栅电极、绝缘层、含氟聚合物层、钝化层、有机半导体层、源电极和漏电极层，所述含氟聚合物层由以下重量百分比的原料构成：含氟聚合物材料98％‑99.9％、空穴传输材料0.1％～2％；所述钝化层由聚合物绝缘材料构成；所述有机半导体层由n型有机半导体构成；本发明通过引入含氟聚合物层提高器件稳定性及其对二氧化氮的检测能力；相对于其他同类有机薄膜晶体管气体传感器，该传感器响应速度快，对有机半导体依赖较低，对基板及栅电极平整度要求不高，且无需后续封装方法，更适宜大规模、快速产业化生产。
Description
技术领域
本发明属于传感器制备技术领域，特别涉及一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器及其制备方法。该气体传感器通过加入含氟聚合物，可极大地提高对目标气体的响应速度，实现对二氧化氮的快速检测。
背景技术
随着电子学的飞速发展及其在传感器领域的应用，以薄膜晶体管为基础构成的化学传感器成为传感器领域的一个研究热点，将其应用于无机和挥发性气体的检测已有广泛报道。与传统的气体传感器相比，基于薄膜晶体管结构的气体传感器除了具有灵敏度高、可在常温下使用等优点外，还具有几个显著优点：
1)利用晶体管基本特性将难以检测的高电阻变化转变为易检测的电流变化；
2)可通过适当选择器件的栅极工作电压来调节传感器的灵敏度；
3)多参数模式更有利用气体的识别和分析；
4)易于集成，可制备大面积传感器阵列，便于向集成化、微型化方向发展。
然而由于有机材料本身的限制，其对于目标气体的探测能力绝大部分取决于有机半导体层对目标气体的吸附能力，由于有机半导体与目标气体之间并没有发生化学反应所以响应速度较慢。研究人员大多通过改善有机半导体层晶粒大小以及引入纳米结构，这两种途径来获得较理想的响应速度。受制于制备工艺的约束，在成膜过程中，对于有机半导体晶粒大小很难实现精确控制，对于较为成熟的纳米结构，虽然克服了这一缺点，但是存在制程长且复杂，成本高昂的缺点。
同时，随着有机薄膜晶体管的发展，科研工作者采用一系列的措施，降低器件的阈值电压，最常见的方法就是采用高k值的绝缘材料，但是大多以无机材料为主。对于大多数聚合物绝缘层材料而言，普遍存在k值小，栅极漏电流高的问题，严重影响了器件的稳定性。
发明内容
本发明提供一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器及其制备方法，它改善现有的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器响应速度慢的缺点，可在大气环境下实现对二氧化氮的快速检测。
本发明的技术方案为：
一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器，它包括从下到上依次设置的衬底、栅电极、绝缘层、含氟聚合物层、钝化层、有机半导体层、源电极和漏电极层，所述含氟聚合物层由以下重量百分比的原料构成：含氟聚合物材料98％-99.9％、空穴传输材料0.1％～2％。
进一步地，所述含氟聚合物材料为聚氯三氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)、聚偏二氟乙烯、聚[4,5-二氟-2,2-双(三氟甲基)-1,3-二氧杂环戊二烯-co-四氟乙烯]、聚[4,5-二氟-2,2-双(三氟甲基)-1,3-二氧杂环戊二烯-co-四氟乙烯]、2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰二甲基对苯醌、5,10,15,20-四(五氟苯基)-21H,23H-卟吩钯中的一种或多种，所述含氟聚合物层的厚度为50nm～100nm。
进一步地，所述空穴传输材料为四氟四氰基醌二甲烷、N,N′-二苯基-N,N′-二-对甲苯基苯-1,4-二胺、N,N′-二苯基-N,N′-(1-萘基)-1,1′-联苯-4,4′-二胺、N,N′-双(3-甲基苯基)-N,N′-二苯基-1,1′-联苯-4,4′-二胺、1,3,5-三(2-(9-乙基咔唑基-3)乙烯)苯、三[4-(二乙氨基)苯基]胺、1,3,5-三(二苯基氨基)苯、三(4-咔唑-9-基苯基)胺、三(对甲苯基)胺、1,3,5-三[(3-甲基苯基)苯氨基]苯、1,3-二咔唑-9-基苯、4-(二苄基氨基)苯甲醛-N,N-二苯腙、4-(二苯基氨基)苯甲醛二苯基腙、1,4-双(二苯胺基)苯、4,4'-双(N-咔唑)-1,1'-联苯、四-N-苯基联苯胺、聚(N-乙基-2-乙烯基咔唑)、聚(2-乙烯基咔唑)、聚(9-乙烯基咔唑)、聚(1-乙烯基萘)、聚(2-乙烯基萘)、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、聚酞菁铜中的一种或多种。
进一步地，所述钝化层由聚合物绝缘材料构成；所述有机半导体层由n型有机半导体构成。
进一步地，所述钝化层的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚(二甲基硅氧烷)、聚甲醛、聚碳酸脂、双苯并环丁烯中的一种或多种，所述钝化层厚度为50nm～80nm。
进一步地，所述n型有机半导体的材料为聚(5-(2-乙基己氧基)-2-甲氧基-氰基对苯二亚甲基)、聚(2,5-二(3,7-二甲基辛氧基)氰基对苯二亚甲基)、聚(2,5-二(己氧基)氰基对苯二亚甲基)、聚(5-(3,7-二甲基辛氧基)-2-甲氧基-氰基对苯二亚甲基)、聚(2,5-二(辛氧基)氰基对苯二亚甲基)、苝二甲酰亚胺衍生物、全氟酞菁铜、苝-3,4,9,10-四羧酸二酐及其衍生物、富勒烯及其衍生物或1,4,5,8-萘四甲酸酐及其衍生物中的一种或多种，所述有机半导体层厚度为30～50nm。
进一步地，所述绝缘层的材料为聚(二甲基硅氧烷)、聚苯乙烯、聚(二甲基硅氧烷)、聚(双酚A-co-4-硝基苯二甲酸酐-co-1,3-苯二胺)、聚(双酚A碳酸酯)、聚(4-甲基-1-戊烯)、1,2-二(三氯甲硅烷基)乙烷、1,6-二(三氯甲硅烷基)己烷、聚(4-叔丁基苯乙烯)、聚异丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、2,4,6,8-四甲基环四硅氧烷、4′-己基-(1,1′-联苯基)-4-腈、三甲氧基(十八烷基)硅烷、碳酸丙烯酯、聚[1,4-苯基二羰基-alt-双(4-苯氧基苯基)甲酮]、2,3,5,6-四甲基-对苯二胺、氧化铝、氧化铪、氧化钽中的一种或多种，所述绝缘层厚度为40nm～100nm，所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为金、银、铜、铝或铝合金材料中的一种或多种，所述源电极和漏电极的厚度均为50nm～80nm，所述衬底的材料为硅片、玻璃、聚合物薄膜、金属箔、植物纤维、纤维蛋白凝胶、明胶、聚乳酸、病毒纤维素、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或多种。
本发明还公开了一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器的制备方法，步骤如下：
①对衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在衬底表面制备栅电极；
③在所述栅电极上面制备绝缘层；
④在所述绝缘层上制备含氟聚合物；
⑤在所述含氟聚合物层上制备钝化层；
⑥在钝化层上制备有机半导体层；
⑦在半导体层上制备源电极和漏电极。
进一步地，所述栅电极、源电极、漏电极均是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的一种方法制备；所述绝缘层通过磁控溅射、表面氧化、旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备；所述含氟聚合物层和钝化层通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备；所述有机半导体层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
一、通过引入含氟聚合物，提高有机薄膜晶体管对二氧化氮的响应速度，方法简单易行，制备工艺简单。
二、通过引入含氟聚合物，降低有机薄膜晶体管的栅极漏电流，同时上面涂敷钝化层，避免-F直接接触导电沟道，降低-F对导电沟道中载流子的捕获作用。
三、相对与传统有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，本发明可有效提高对二氧化氮的响应速度，无需进一步处理。
四、器件工作时，含氟聚合物中的-F会捕获电子，从而产生游离的空穴，在栅极偏压以及空穴传输材料的作用下，空穴会聚集在钝化层下表面，诱导上表面产生电子，相当于增加了n型导电沟道中的载流子浓度，进而使得器件源漏电流升高，迁移率提高，阈值电压降低；引入二氧化氮气体时，由于二氧化氮气体分子会捕获电子，从而削弱含氟聚合物中-F的作用，使得器件源漏电流降低，迁移率降低，阈值电压增大；由于含氟聚合物的作用，使得响应的绝对值增大，降低噪声。
五、引入绝缘层厚膜结构，有效改善了聚合物绝缘材料介电系数低的不足，同时降低了基板及栅电极表面粗糙度对薄膜的影响(pin-hole针孔现象)。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1-衬底、2-栅电极、3-绝缘层、4-含氟聚合物、5-钝化层、6-有机半导体层、7-源电极、8-漏电极。
图2是实施例1中制备的嵌有含氟聚合物的有机薄膜晶体管的转移与输出曲线。
图3是对比器件的转移与输出曲线。
图4实施例1中制备的嵌有含氟聚合物的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器在不同浓度二氧化氮气体下随时间连续变化曲线。
图5是对比器件在不同浓度二氧化氮气体下随时间连续变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1，一种含有功能绝缘层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，它包括从下到上依次叠加的衬底1、绝缘层3、含氟聚合物层4、钝化层5、有机半导体层6，其中，所述衬底1、绝缘层3之间设置有栅电极2，所述有机半导体层6上端设置有源电极7和漏电极8。
以下是本发明的具体实施例：
实施例1：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃；栅电极2为铝，厚度为50nm；绝缘层3为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为100nm；含氟聚合物4为聚氯三氟乙烯，掺有0.1％的四氟四氰基醌二甲烷，厚度为40nm；钝化层5为聚苯乙烯，厚度为50nm；有机半导体层6为N,N′-二辛基-3,4,9,10-苝二甲酰亚胺，厚度为30nm；源电极7和漏电极8均为Au，厚度均为50nm。
制备方法如下：
①对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在衬底1表面溅射栅电极；
③在所述栅电极上面旋涂绝缘层；
④在所述绝缘层上采用旋涂法制备含氟聚合物；
⑤在所述含氟聚合物层上采用旋涂法制备钝化层；
⑥在钝化层上通过真空蒸镀制备有机半导体层；
⑦在半导体层上采用真空蒸镀法制备源电极和漏电极。
实施例2：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃；栅电极2为铝，厚度为80nm；绝缘层3为氧化铝，厚度为40nm；含氟聚合物4为聚氯三氟乙烯，掺有2％的四氟四氰基醌二甲烷，厚度为100nm；钝化层5为聚苯乙烯，厚度为80nm；有机半导体层6为N,N′-二辛基-3,4,9,10-苝二甲酰亚胺，厚度为50nm；源电极7和漏电极8均为Au，厚度为80nm。
制备方法如同实施例1。
实施例3：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃；栅电极2为铝，厚度为60nm；绝缘层3为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为100nm；含氟聚合物4为聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)，掺有2％的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，厚度为50nm；钝化层5为聚丙烯，厚度为80nm；有机半导体层6为N,N′-二辛基-3,4,9,10-苝二甲酰亚胺，厚度为40nm；源电极7和漏电极8均为Au，厚度为60nm。
制备方法如同实施例1。
实施例4：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃；栅电极2为铝，厚度为60nm；绝缘层为聚苯乙烯，厚度为100nm；含氟聚合物4为聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)，掺有1％的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]，厚度为80nm；钝化层5为聚乙烯，厚度为80nm；有机半导体层6为全氟酞菁铜，厚度为40nm；源电极7和漏电极8均为Au，厚度为60nm。
制备方法如同实施例1。
实施例5：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃；栅电极2为金，厚度为60nm；绝缘层3为聚(双酚A碳酸酯)，厚度为100nm；含氟聚合物4为聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)，掺有1％的聚(9-乙烯基咔唑)，厚度为50nm；钝化层5为聚苯乙烯，厚度为50nm；有机半导体层6为全氟酞菁铜，厚度为40nm；源电极7和漏电极8均为Au，厚度为60nm。
制备方法如同实施例1。
实施例6：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃；栅电极2为铝，厚度为50nm；绝缘层为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为100nm；含氟聚合物4为聚氯三氟乙烯，掺有2％的聚(9-乙烯基咔唑)，厚度为50nm；钝化层5为双苯并环丁烯，厚度为50nm；有机半导体层6为苝-3,4,9,10-四羧酸二酐，厚度为30nm；源电极7和漏电极8均为Au，厚度为50nm。
制备方法如下：
①对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在衬底1表面溅射栅电极；
③在所述栅电极上面旋涂绝缘层；
④在所述绝缘层上采用旋涂法制备含氟聚合物；
⑤在所述含氟聚合物层上采用旋涂法制备钝化层；
⑥在钝化层上通过旋涂法制备有机半导体层；
⑦在半导体层上采用真空蒸镀法制备源电极和漏电极。
实施例7：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为铝，厚度为50nm，绝缘层3为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为100nm，含氟聚合物4为聚氯三氟乙烯，厚度为50nm，掺有1％的N,N′-二苯基-N,N′-二-对甲苯基苯-1,4-二胺，钝化层5为聚苯乙烯，厚度为50nm，有机半导体层6为苝-3,4,9,10-四羧酸二酐，厚度为30nm，源电极7和漏电极8均为Au，厚度为50nm。
制备方法如下：
①对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在衬底1表面溅射栅电极；
③在所述栅电极上面旋涂绝缘层；
④在所述绝缘层上采用旋涂法制备含氟聚合物；
⑤在所述含氟聚合物层上采用旋涂法制备钝化层；
⑥在钝化层上通过喷涂法制备有机半导体层；
⑦在半导体层上采用真空蒸镀法制备源电极和漏电极。
实施例8：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃，栅电极2为铝，厚度为50nm，绝缘层3为聚甲基丙烯酸甲酯，厚度为100nm，含氟聚合物4为聚氯三氟乙烯，厚度为100nm，掺有2％的N,N′-二苯基-N,N′-二-对甲苯基苯-1,4-二胺，钝化层5为聚碳酸脂，厚度为80nm，有机半导体层6为苝-3,4,9,10-四羧酸二酐，厚度为30nm，源电极7和漏电极8均为Au，厚度为50nm。
制备方法如下：
①对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在衬底1表面溅射栅电极；
③在所述栅电极上面旋涂绝缘层；
④在所述绝缘层上采用旋涂法制备含氟聚合物；
⑤在所述含氟聚合物层上采用喷涂制备钝化层；
⑥在钝化层上通过喷涂法制备有机半导体层；
⑦在半导体层上采用丝网印刷法制备源电极和漏电极。
图2、图3的数据可以看出实施例1制备的器件在源漏电流、阈值电压以及开关比上均优于对比器件。
图4、图5的数据可以看出实施例1制备的器件源漏电流相对变化值远远优于对比器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器，其特征在于，它包括从下到上依次设置的衬底、栅电极、绝缘层、含氟聚合物层、钝化层、有机半导体层、源电极和漏电极层，所述含氟聚合物层由以下重量百分比的原料构成：含氟聚合物材料98％-99.9％、空穴传输材料0.1％～2％。
2.根据权利要求1所述的一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器，其特征在于，所述含氟聚合物材料为聚氯三氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-co-六氟丙烯)、聚偏二氟乙烯、聚[4,5-二氟-2,2-双(三氟甲基)-1,3-二氧杂环戊二烯-co-四氟乙烯]、聚[4,5-二氟-2,2-双(三氟甲基)-1,3-二氧杂环戊二烯-co-四氟乙烯]、2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰二甲基对苯醌、5,10,15,20-四(五氟苯基)-21H,23H-卟吩钯中的一种或多种，所述含氟聚合物层的厚度为50nm～100nm。
3.根据权利要求1所述的一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器，其特征在于，所述空穴传输材料为四氟四氰基醌二甲烷、N,N′-二苯基-N,N′-二-对甲苯基苯-1,4-二胺、N,N′-二苯基-N,N′-(1-萘基)-1,1′-联苯-4,4′-二胺、N,N′-双(3-甲基苯基)-N,N′-二苯基-1,1′-联苯-4,4′-二胺、1,3,5-三(2-(9-乙基咔唑基-3)乙烯)苯、三[4-(二乙氨基)苯基]胺、1,3,5-三(二苯基氨基)苯、三(4-咔唑-9-基苯基)胺、三(对甲苯基)胺、1,3,5-三[(3-甲基苯基)苯氨基]苯、1,3-二咔唑-9-基苯、4-(二苄基氨基)苯甲醛-N,N-二苯腙、4-(二苯基氨基)苯甲醛二苯基腙、1,4-双(二苯胺基)苯、4,4'-双(N-咔唑)-1,1'-联苯、四-N-苯基联苯胺、聚(N-乙基-2-乙烯基咔唑)、聚(2-乙烯基咔唑)、聚(9-乙烯基咔唑)、聚(1-乙烯基萘)、聚(2-乙烯基萘)、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]、聚酞菁铜中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器，其特征在于，所述钝化层由聚合物绝缘材料构成；所述有机半导体层由n型有机半导体构成。
5.根据权利要求1所述的一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器，其特征在于，所述钝化层的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚(二甲基硅氧烷)、聚甲醛、聚碳酸脂、双苯并环丁烯中的一种或多种，所述钝化层厚度为50nm～80nm。
6.根据权利要求4所述的一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器，其特征在于，所述n型有机半导体的材料为聚(5-(2-乙基己氧基)-2-甲氧基-氰基对苯二亚甲基)、聚(2,5-二(3,7-二甲基辛氧基)氰基对苯二亚甲基)、聚(2,5-二(己氧基)氰基对苯二亚甲基)、聚(5-(3,7-二甲基辛氧基)-2-甲氧基-氰基对苯二亚甲基)、聚(2,5-二(辛氧基)氰基对苯二亚甲基)、苝二甲酰亚胺衍生物、全氟酞菁铜、苝-3,4,9,10-四羧酸二酐及其衍生物、富勒烯及其衍生物或1,4,5,8-萘四甲酸酐及其衍生物中的一种或多种，所述有机半导体层厚度为30～50nm。
7.根据权利要求1所述的一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为聚(二甲基硅氧烷)、聚苯乙烯、聚(二甲基硅氧烷)、聚(双酚A-co-4-硝基苯二甲酸酐-co-1,3-苯二胺)、聚(双酚A碳酸酯)、聚(4-甲基-1-戊烯)、1,2-二(三氯甲硅烷基)乙烷、1,6-二(三氯甲硅烷基)己烷、聚(4-叔丁基苯乙烯)、聚异丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、2,4,6,8-四甲基环四硅氧烷、4′-己基-(1,1′-联苯基)-4-腈、三甲氧基(十八烷基)硅烷、碳酸丙烯酯、聚[1,4-苯基二羰基-alt-双(4-苯氧基苯基)甲酮]、2,3,5,6-四甲基-对苯二胺、氧化铝、氧化铪、氧化钽中的一种或多种，所述绝缘层厚度为40nm～100nm，所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为金、银、铜、铝或铝合金材料中的一种或多种，所述源电极和漏电极的厚度均为50nm～80nm，所述衬底的材料为硅片、玻璃、聚合物薄膜、金属箔、植物纤维、纤维蛋白凝胶、明胶、聚乳酸、病毒纤维素、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或多种。
8.如权利要求1～7任意一项所述的一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
①对衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②在衬底表面制备栅电极；
③在所述栅电极上面制备绝缘层；
④在所述绝缘层上制备含氟聚合物层；
⑤在所述含氟聚合物层上制备钝化层；
⑥在钝化层上制备有机半导体层；
⑦在有机半导体层上制备源电极和漏电极。
9.根据权利要求8所述的一种嵌有含氟聚合物的二氧化氮传感器的制备方法，其特征在于，所述栅电极、源电极、漏电极均是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的一种方法制备；所述绝缘层通过磁控溅射、表面氧化、旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备；所述含氟聚合物层和钝化层通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备；所述有机半导体层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
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