CN108493339A - 紫外线传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种紫外线传感器及其制备方法，在柔性基底上依次打印梳状结构的电极和有机半导体层，相邻的电极之间形成有沟道，所述有机半导体层填充所述沟道。本公开可以简单、快速的制备紫外线传感器，有效地降低了紫外线传感器的成本，所得紫外线传感器响应速度快，具有良好的循环稳定性。

Description

紫外线传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种紫外线传感器及其制备方法。
背景技术
紫外线传感器是一种将紫外光信号转换为电信号的电子器件。目前应用的紫外线传感器的基底一般为硅基材料(包括玻璃)或者金属等，其活性层包括：无机材料(氮化镓、硫化锌、氧化锌等)和氧化石墨烯等。传统的电极制备工艺复杂，难以实现大规模制备，同时制备过程造成了材料的极大浪费，增加了传感器的成本，对环境污染较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种紫外线传感器及其制备方法，可以简单、快速的制备紫外线传感器，有效地降低了紫外线传感器的成本。
根据本发明的第一方面，提供了一种紫外线传感器，包括：
柔性基底；
多个电极，以相互间隔的方式设置于所述柔性基底上，相邻电极之间形成有沟道；以及，
有机半导体层，填充所述沟道；
其中，所述电极通过打印导电材料形成，所述有机半导体层通过打印有机半导体混合溶液形成。
优选地，所述有机半导体层覆盖所述多个电极。
优选地，所述多个电极设置为梳状结构。
优选地，所述有机半导体混合溶液包括：有机半导体材料和有机聚合物的混合溶液；
其中，所述有机半导体材料包括2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8-BTBT)、TIPS－Pantacene、PBTTT-C12和/或T-DPPT中的一种或多种，所述有机聚合物为聚苯乙烯、聚氯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly Methyl Methacrylate，PMMA)或聚乳酸(Polylactic acid，PLA)等绝缘聚合物中的一种或多种。
优选地，所述有机半导体混合溶液的溶剂为甲苯、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯、1,2,3-三甲苯、1,2,4-三甲苯、1,3,5-三甲苯、四氢萘、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或苯甲醚中的一种或多种。
本发明另一方面公开了如第一方面所述的紫外线传感器的制备方法，包括：
在柔性基底上通过喷墨打印导电材料形成多个电极；
在所述多个电极上通过喷墨打印有机半导体混合溶液形成有机半导体层。
优选地，所述多个电极设置为梳状结构，相邻电极之间形成有沟道。
优选地，在所述多个电极上通过喷墨打印有机半导体混合溶液形成有机半导体层还包括：
在所述沟道内通过喷墨打印有机半导体混合溶液形成有机半导体层；
其中，所述有机半导体混合溶液为以有机半导体材料和有机聚合物为溶质的混合溶液，其中，有机半导体材料的浓度为5～30mg/mL，有机聚合物的浓度为1～10mg/mL，所述有机半导体材料包括2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8-BTBT)、TIPS－Pantacene、PBTTT-C12和/或T-DPPT中的一种或多种，所述有机聚合物为聚苯乙烯、聚氯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethyl Methacrylate，PMMA)或聚乳酸(Polylactic acid，PLA)等绝缘聚合物的一种或多种；所述有机半导体混合溶液的溶剂为甲苯，间二甲苯，对二甲苯，邻二甲苯，1,2,3-三甲苯，1,2,4-三甲苯和1,3,5-三甲苯，四氢萘,N,N-二甲基甲酰胺,二甲基亚砜和苯甲醚中的一种或多种。
优选地，所述喷墨打印的喷头温度为45℃，基底温度为50℃，打印分辨率为15um。
优选地，所述制备方法还包括：
对所述有机半导体层进行后处理；
其中，所述后处理为在100℃下对有机半导体层加热10分钟。
本发明提供了一种紫外线传感器及其制备方法，在柔性基底上依次打印梳状结构的电极和有机半导体层，相邻的电极之间形成有沟道，所述有机半导体层填充所述沟道。本发明可以简单、快速的制备紫外线传感器，有效地降低了紫外线传感器的成本，并且所得紫外线传感器响应速度快，具有良好的循环稳定性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的紫外线传感器的剖视图；
图2是本发明实施例的有机半导体层的另一可选方式的剖视图；
图3是本发明实施例的紫外线传感器的电极的俯视图；
图4是本发明实施例的紫外线传感器的制备方法的流程示意图；
图5是本发明实施例制备的紫外线传感器在光照下的电流特性曲线。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例的紫外线传感器的剖视图。如图1所示，紫外线传感器包括柔性基底1、多个电极2和有机半导体层3。柔性基底1为通用的塑料薄膜，具有柔韧性，易于弯曲。相对于硅片作为基底，其在物联网、柔性显示、智能穿戴、生物医疗等领域有更好的应用前景。多个电极2以相互间隔的方式设置于所述柔性基底1上，相邻电极之间形成有沟道。在所述电极2的上设置有机半导体层3。有机半导体层3覆盖电极2并填充于所述沟道内，形成紫外线传感器，有机半导体层3可以最大范围的与电机2接触，在紫外光照射发生光电效应时，可以使得电子快速的吸收光子的能量，产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。在一个可选实现方式中，有机半导体层3可以填充于相邻电极2之间的沟道内，形成紫外线传感器，如图2所示。图2所示的有机半导体层3可以均匀的分布于电极2的周围，当紫外光照射时，有机半导体层3通过吸收光子的能量，产生带正电荷的空穴，使得半导体材料中的载流子的数目均匀分布，使其电阻阻值均匀变化。紫外线传感器属于光电传感器的一种，主要是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，有机半导体层的电阻减小，入射光弱，有机半导体层的电阻增大。光电传感器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)
柔性基底1的材料为塑料薄膜，具有电绝缘性能，包括聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)等。优选地，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)具有更优异的气体阻隔性、防紫外线辐射性能和耐热性能，并且PEN在韧性、耐折皱性和耐温性等各方面性能相对更加均衡，可耐温121℃，因此更适合作为紫外线传感器的柔性基底材料使用。
电极2通过喷墨打印导电材料形成于柔性基底1上。所述电极2为银电极，电极电势稳定，重现性很好，在升温的情况下比甘汞电极稳定。多个电极2设置为具有均匀间隔的梳状结构，如图3所示。所述均匀间隔与柔性基底1形成沟道。沟道是半导体中由于外加电场引起的沿长度方向的导电层，具有良好的导电作用。电极2的宽度和沟道的间距可以根据需要进行适当的调节。
有机半导体层3通过喷墨打印有机半导体混合溶液形成。有机半导体层3可以包括覆盖在电极2上有机半导体层3和填充在所述电极2之间的沟道内。有机半导体层3的形成方式为打印、刮涂、旋涂等混合溶液处理过程。有机半导体混合溶液包括溶质和溶剂，溶质溶解于溶剂内形成有机半导体混合溶液。所述溶质为2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8-BTBT)和有机聚合物的混合溶液。其中，C8-BTBT的浓度为10mg/mL，有机聚合物的浓度为2mg/mL。溶剂为四氢萘和甲苯的混合物，四氢萘和甲苯的体积比为1:1。所述有机聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethyl Methacrylate，PMMA)或聚乳酸(Polylactic acid，PLA)。C8-BTBT及其有机聚合物作为活性层的材料具有更高的光电响应度。有机半导体层一般设置为薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，有机半导体内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
打印有机半导体层3所采用的打印机为FujiFilm Dimatix Materials PrinterDMP-2831。打印时打印机的喷头温度为45℃，基底温度为50℃，打印分辨率为15um。有机半导体层3打印完成后，需要在100℃下对有机半导体层3加热10分钟，完成对有机半导体层3的后处理。通过喷墨打印方式制备的有机半导体层，可以根据传感器的设计需要进行打印，节省材料。
图4是本发明实施例的紫外线传感器的制备方法的流程示意图，该制备方法包括：
步骤S100、制备柔性基底。
本实施例中，使用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)薄膜作为柔性基底材料，通过裁剪获得合适尺寸的柔性基底1。
步骤S200、在柔性基底上通过喷墨打印导电材料形成多个电极。
将导电材料铺设于柔性基底1的表面，按照预定的图案以及预定的位置打印导电材料，形成电极2。在本实施例中，导电材料为银粉，电极2为梳状结构。电极宽度以及沟道的间距可以根据需要进行调节。
步骤S300、在所述多个电极上通过喷墨打印有机半导体混合溶液形成有机半导体层。
有机半导体混合溶液可以通过制备获得，其制备方法包括：将2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8-BTBT)和有机聚合物作为溶质溶解在以四氢萘和甲苯的混合物为溶剂的混合溶液中，其中，四氢萘和甲苯的体积比为1:1，所述有机聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(Poly MethylMethacrylate，PMMA)或聚乳酸(Polylactic acid，PLA)。制备完成的C8-BTBT的浓度为10mg/mL，有机聚合物的浓度为2mg/mL。
将上述制备的有机半导体混合溶液沉积到每个电极之间的沟道内或者电极上，通过打印机FujiFilm Dimatix Materials Printer DMP-2831进行喷墨打印，形成紫外线传感器。打印时打印机的喷头温度为45℃，基底温度为50℃，打印分辨率为15um。有机半导体层3打印完成后，需要在100℃下对有机半导体层3加热10分钟，完成对有机半导体层3的后处理。通过喷墨打印方式制备的有机半导体层3，可以根据传感器的设计需要进行打印，节省材料。在黑暗环境里，有机半导体层3的电阻值很高，当受到紫外线光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
将本公开实施例提供的制备方法得到的紫外线传感器通过Keithley 4200半导体测试仪进行测试，获得紫外线传感器的电流特性曲线，如图5所示。测试过程中半导体测试仪的偏压为5V，光照强度为4cd/cm2。根据电流特性曲线发现，关灯状态下，电流位于很低的水平，开灯状态下，电流明显增加，关灯后，电流又恢复之前的低值，响应速度和恢复速度较快。多次测试结果保持稳定说明紫外线传感器具有良好的稳定性，可进行多次重复使用。
本公开提供了一种紫外线传感器及其制备方法，在柔性基底上依次打印梳状结构的电极和有机半导体层，相邻的电极之间形成有沟道，所述有机半导体层填充所述沟道。本公开可以简单、快速的制备紫外线传感器，有效地降低了紫外线传感器的成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紫外线传感器，包括：
柔性基底；
多个电极，以相互间隔的方式设置于所述柔性基底上，相邻电极之间形成有沟道；以及，
有机半导体层，填充所述沟道；
其中，所述电极通过打印导电材料形成，所述有机半导体层通过打印有机半导体混合溶液形成。
2.根据权利要求1所述的紫外线传感器，其特征在于，所述有机半导体层还覆盖所述多个电极。
3.根据权利要求1所述的紫外线传感器，其特征在于，所述多个电极设置为梳状结构。
4.根据权利要求1所述的紫外线传感器，其特征在于，所述有机半导体混合溶液包括：有机半导体材料和有机聚合物的混合溶液；
其中，所述有机半导体材料包括2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8-BTBT)、TIPS－Pantacene、PBTTT-C12和/或T-DPPT中的一种或多种，所述有机聚合物为聚苯乙烯、聚氯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly Methyl Methacrylate，PMMA)或聚乳酸(Polylactic acid，PLA)等绝缘聚合物中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述紫外线传感器，其特征在于，所述有机半导体混合溶液的溶剂为甲苯、间二甲苯、对二甲苯、邻二甲苯、1,2,3-三甲苯、1,2,4-三甲苯、1,3,5-三甲苯、四氢萘、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或苯甲醚中的一种或多种。
6.如权利要求1-5中任一项所述的紫外线传感器的制备方法，包括：
在柔性基底上通过喷墨打印导电材料形成多个电极；
在所述多个电极上通过喷墨打印有机半导体混合溶液形成有机半导体层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述多个电极设置为梳状结构，相邻电极之间形成有沟道。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述多个电极上通过喷墨打印有机半导体混合溶液形成有机半导体层还包括：
在所述沟道内通过喷墨打印有机半导体混合溶液形成有机半导体层；
其中，所述有机半导体混合溶液为以有机半导体材料和有机聚合物为溶质的混合溶液，其中，有机半导体材料的浓度为5～30mg/mL，有机聚合物的浓度为1～10mg/mL，所述有机半导体材料包括2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩(2,7-Dioctyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene，C8-BTBT)、TIPS－Pantacene、PBTTT-C12和/或T-DPPT中的一种或多种，所述有机聚合物为聚苯乙烯、聚氯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethyl Methacrylate，PMMA)或聚乳酸(Polylactic acid，PLA)等绝缘聚合物的一种或多种；所述有机半导体混合溶液的溶剂为甲苯，间二甲苯，对二甲苯，邻二甲苯，1,2,3-三甲苯，1,2,4-三甲苯和1,3,5-三甲苯，四氢萘,N,N-二甲基甲酰胺,二甲基亚砜和苯甲醚中的一种或多种。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述喷墨打印的喷头温度为45℃，基底温度为50℃，打印分辨率为15um。
10.根据权利要求6或8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
对所述有机半导体层进行后处理；
其中，所述后处理为在100℃下对有机半导体层加热10分钟。
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