CN109326722B - 一种基于有机场效应管红外探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有机场效应管红外探测器及其制备方法，场效应晶体管从下到上依次为衬底、栅电极、介电层、半导体层、源电极和漏电极、封装层，所述介电层为高度取向性的丝素蛋白生物材料，所述半导体层为竹纤维与半导体材料的混合材料。本发明利用高度取向性的丝素蛋白，有效的减小了探测器的漏电流以及介电层的介电性能，从而有效的提升了探测率同时减小了探测器的驱动电压；利用竹纤维有效杜绝了有毒试剂的使用，同时由于其红外吸光性，提升探测器的红外响应，实现器件对红外线的高灵敏高响应探测。该红外探测器采用丝素蛋白和竹纤维，生物环保，成本更低，将红外探测器应用范围拓宽，适合于柔性、可穿戴式设备与一次性生物电子领域。

Description

一种基于有机场效应管红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于探测器制备技术领域，特别涉及一种基于生物介电层以及生物材料掺杂有机半导体层的有机场效应管红外探测器及其制备方法。
背景技术
探测器的应用领域十分宽广，可以说从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的探测器。其中光探测器由于其可检测红外线、紫外线、可见光等，被广泛应用于水利、天文、气象、化工、医疗卫生行业中。有机光探测器属于光电转换器件，是利用具有光电效应的材料制成的能够实现光电转换的探测器。而有机场效应晶体管红外探测器相比于传统电阻式器件，由于具有灵敏度高、室温工作、易于集成以及独立的多参数来提高选择性等优点，加上有机材料本身所具备的由于质轻、价廉、具有柔性、制备方法简单、种类多、性能可通过分子设计进行调整等优势，在探测器领域一直倍受人们关注。然而，随着材料和制作工艺成本的增长，加上人们对环保电子材料的渴望，促使人们研发低成本、制备方法简单、种类多、环境友好的有机电子材料。同时便随着能源问题的出现以及可携带电子的飞速发展，如何制备低驱动电压，高探测率的探测器是一个亟待解决的问题。
介电层作为有机场效应晶体管一个重要的组成部分，现阶段的溶液制备大多大量使用了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒试剂，同时，他们所需要的驱动电压都很高(＞10V)，探究一种水溶液或醇溶液的且介电系数较高的介电层材料成为实现绿色工艺的重要一环。
发明内容
针对现有技术中，溶液制备有机场效应晶体管的介电层需大量使用，大多大量使用了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒试剂的问题，本发明提供一种基于有机场效应管红外探测器及其制备方法，其目的在于：提供一种生产成本低廉，绿色环保，高灵敏度，高稳定性，高寿命的场效应晶体管红外探测器。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于有机场效应管红外探测器，从下到上依次为衬底、栅电极、介电层、有机半导体层、源电极和漏电极、封装层，所述介电层为高度取向性的丝素蛋白生物材料，所述有机半导体层为竹纤维与半导体材料的混合材料。
采用该技术方案后，丝素蛋白是一种从蚕丝中提取的蛋白质，具有很好的生物相容性，良好的力学性能、优良的介电特性以及热稳定性，通过高速旋转的磁场进行处理，诱导丝素蛋白呈现有序的纳米线结构，从而提升了其介电常数，将其用到介电层中，将有效的降低探测器的驱动电压，同时高度有序的纳米线结构，也将诱导上层半导体层呈现出更好的定向结晶性，从而实现对红外线的高灵敏高响应探测。并且其具有含量丰富，生物环保，跟人体无抵触排异现象等优点，因此具有广泛应用于人体电子器件中的巨大潜力。
有机层与介电层掺杂，是提升有机场效应晶体管管器件性能和稳定性的一个简单有效的措施。竹纤维作为一种天然纤维，具有红外吸收特点，将其用到半导体层中，红外线照射时，引起半导体材料迁移率和结构的变化，从而使其电学性质发生较大变化，更容易感应外界的红外线，提升了有机场效应管的探测响应，实现器件对红外线的高灵敏高响应探测。同时，由于介电材料的高度取向性，以及介电材料对有机层的掺杂，使得有机层结晶性更强，并且使得有机层形貌更加有序，从而使器件的红外探测性能保持了较高的稳定性。
优选的，高度取向性的丝素蛋白生物材料的高度取向性通过在高速旋转磁场中退火形成。
进一步优选的，高速旋转磁场的转速为10000转/分钟。
优选的，介电层厚度为200-600nm。
优选的，有机半导体层具有高度定向结晶性。
优选的，有机半导体层中竹纤维的含量为质量分数5％-10％。
优选的，半导体材料为氧化锌、氧化锡、碳纳米管、石墨烯、3-已基噻吩、6，13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)并五苯或含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物中的一种。
优选的，有机半导体层的厚度为30-50nm。
优选的，栅电极、源电极和漏电极的材料为金属纳米线，所述金属纳米线为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线或铂纳米线中的一种。
优选的，封装层为虫胶，封装层的厚度为200-300nm。所述封装层的厚度为源电极、漏电极和有机半导体层上表面到封装层上表面的距离。
本发明还提供一种上述有机场效应晶体管红外探测器的制备方法，包括以下步骤：
①清洗并吹干衬底；
②在衬底表面制备栅电极；
③在栅电极上制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与可溶性半导体材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在经过步骤③处理的介电层上制备有机半导体层；
⑤在有机半导体层上制备源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
优选的，介电层和有机半导体层分别通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
优选的，栅电极、源电极和漏电极分别通过真空热蒸镀、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。
优选的，步骤⑥中，先迅速提高器件加热温度，使得虫胶热熔状态，使作为封装层的虫胶与衬底熔到在一起，然后加热虫胶到热聚合温度，使得虫胶发生热聚合反应，进而固化为一体，起到封装作用。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
一、丝素蛋白和竹纤维作为天然的生物材料，具有含量丰富，提取工艺简单，跟人体无抵触排异现象等优点。并且在本发明中，探测器的制备过程杜绝了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒试剂的使用，更加绿色环保。
二、丝素蛋白是一种理想的介电材料。通过高速旋转的磁场进行处理，诱导丝素蛋白呈现有序的纳米线结构，从而提升了其介电常数，有效的降低探测器的漏电流和驱动电压。同时高度有序的纳米线结构，也将诱导上层有机半导体层呈现出更好的定向结晶性，从而实现对红外线的高灵敏高响应探测。
三、由于竹纤维具备优良的红外吸收特性，通过竹纤维和半导体材料混合的方法，提升了有机半导体层对红外线的吸收，有效的提升了器件探测性能。同时，由于有机半导体层高度的定向结晶性，更容易感应外界的红外线，提升了有机场效应管的红外探测器的响应，实现器件对红外线的高灵敏高响应探测。
四、竹纤维具备优良的红外选择性，将其应用于半导体层的掺杂，将有效的提升器件的探测选择性，同时由于虫胶天然的致密结构，防止水氧的侵蚀，使整个器件具备很好的大气稳定性；
五、整个场效应晶体管红外探测器，由于包含各种生物材料或生物友好材料，使其将具备应用于柔性、微型、仿生、生物电子以及一次性人体电子器件中的巨大潜力。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是实施案例1中的红外探测器实时响应曲线。
其中：1-衬底，2-栅电极，3-介电层，4-有机半导体层，5-源电极，6-漏电极，7-封装层。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1、图2对本发明作详细说明。
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：栅电极、源电极和漏电极均为银纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为200nm；有机半导体层为碳纳米管与竹纤维(竹纤维质量分数为10％)混合构成，厚度为50nm；虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的银纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与碳纳米管材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm银纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
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：栅电极、源电极和漏电极均为金纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为500nm；有机半导体层为3-已基噻吩与竹纤维(竹纤维质量分数为5％)混合构成，厚度为30nm；虫胶封装层厚度为200nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的金纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与3-已基噻吩材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm金纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
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：栅电极、源电极和漏电极均为铁纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为600nm；有机半导体层为6，13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)并五苯与竹纤维(竹纤维质量分数为8％)混合构成，厚度为40nm，虫胶封装层厚度为200nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的铁纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与6，13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)并五苯材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm铁纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
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：栅电极、源电极和漏电极均为钨纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为600nm；有机半导体层为石墨烯与竹纤维(竹纤维质量分数为5％)混合构成，厚度为50nm；虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的钨纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与石墨烯材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm钨纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
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：栅电极、源电极和漏电极均为钨纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为500nm；有机半导体层为氧化锡与竹纤维(竹纤维质量分数为8％)混合构成，厚度为30nm；虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的钨纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与氧化锡材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm钨纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
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：栅电极、源电极和漏电极均为铝纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为500nm；有机半导体层为氧化锌与竹纤维(竹纤维质量分数为5％)混合构成，厚度为50nm；虫胶封装层厚度为200nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的铝纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与氧化锌材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm铝纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
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：栅电极、源电极和漏电极均为铝纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为500nm；有机半导体层为含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物与竹纤维(竹纤维质量分数为8％)混合构成，厚度为50nm；虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的铝纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm铝纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
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：栅电极、源电极和漏电极均为铜纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为500nm；有机半导体层为含3-已基噻吩与竹纤维(竹纤维质量分数为8％)混合构成，厚度为30nm；虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的铜纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与含3-已基噻吩材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm铜纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
实施例9：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为铟纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为200nm；有机半导体层为含碳纳米管与竹纤维(竹纤维质量分数为10％)混合构成，厚度为50nm；虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的铟纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与碳纳米管材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm铟纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
实施例10：
如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为锡纳米线；介电层采用丝素蛋白，厚度为200nm；有机半导体层为含碳纳米管与竹纤维混合构成，不同比例红外探测性能见下表，厚度为50nm；虫胶封装层厚度为300nm。用该结构可实现高灵敏度，高稳定性的一种场效应晶体管红外探测器。
半导体层中竹纤维比例 开态电流(μA) 稳定性 响应度
5％ 4 差 差
6％ 5 一般 一般
7％ 6 最好 最好
8％ 8 一般 一般
10％ 7.5 差 差
本实施例的制备方法如下：
①利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
②在衬底表面制备30nm厚的锡纳米线栅电极；
③70mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在栅电极表面旋涂制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与碳纳米管材料进行按比例超声混合，用10mg/ml浓度的丝素蛋白溶液在介电层表面旋涂制备半导体层；
⑤在有机半导体层上制备30nm锡纳米线源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于有机场效应管红外探测器，其特征在于，从下到上依次为衬底、栅电极、介电层、有机半导体层、源电极和漏电极、封装层，所述介电层为高度取向性的丝素蛋白生物材料，所述有机半导体层为竹纤维与半导体材料的混合材料；所述有机半导体层中竹纤维的含量为质量分数5％-10％，在栅电极上制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火处理；
所述半导体材料为氧化锌、氧化锡、碳纳米管、石墨烯、6，13-双(三异丙基硅烷基乙炔基)并五苯或含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物中的一种。
2.按照权利要求1所述的一种基于有机场效应管红外探测器，其特征在于：所述介电层厚度为200-600nm。
3.按照权利要求1所述的一种基于有机场效应管红外探测器，其特征在于：所述有机半导体层具有高度定向结晶性。
4.按照权利要求1或3所述的一种基于有机场效应管红外探测器，其特征在于：所述有机半导体层的厚度为30-50nm。
5.按照权利要求1所述的一种基于有机场效应管红外探测器，其特征在于：所述栅电极、源电极和漏电极的材料为金属纳米线，所述金属纳米线为铁纳米线、铜纳米线、银纳米线、金纳米线、铝纳米线、镍纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线或铂纳米线中的一种。
6.一种按照权利要求1所述的有机场效应晶体管红外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①清洗并吹干衬底；
②在衬底表面制备栅电极；
③在栅电极上制备介电层，而后将介电层放于高速旋转的磁场中退火；
④将竹纤维与可溶性半导体材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在经过步骤③处理的介电层上制备有机半导体层；
⑤在有机半导体层上制备源电极和漏电极；
⑥在源电极和漏电极上面制备虫胶层，作为封装层。
7.按照权利要求6所述的一种基于有机场效应管红外探测器的制备方法，其特征在于：所述介电层和有机半导体层分别通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
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