CN109828015B - 基于有机晶体管氨气传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
基于有机晶体管氨气传感器芯片及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于有机晶体管氨气传感器芯片，传感器芯片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，所述介电层为明胶这种天然生物材料，所述半导体层为三明治结构，其中三明治结构的夹心层为明胶与金属离子的混合物，本发明利用明胶这种天然无毒且含量丰富的生物材料，有效杜绝了有毒试剂的使用，同时由于明胶杰出的介电特性，使得有机晶体管氨气传感器芯片实现了低电压驱动，同时由于生物材料中所含的大量的极化基团，提升了有机场效应管的氨气传感响应，同时三明治结构中明胶与金属离子作为夹心层，实现器件对氨气的高稳定性高灵敏高响应探测，可用于氨气传感器中。
Description
技术领域
本发明属于传感器芯片制备技术领域，特别涉及一种基于生物介电层以及三明治结构有机层的有机晶体管氨气传感器芯片。
背景技术
传感器芯片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传感器芯片，传感技术对国民经济的发展日益起着巨大的作用。在工业高速发展的今天，人们在享受科技发展给我们带来的日新月异的变化的同时也不得不开始关注科技发展带来的负面影响-环境污染，其中，大气污染因与人们的生活息息相关而备受关注；生活中，人们直接或间接的向大气中释放了很多有害气体，例如氨气、一氧化氮、二氧化氮、二氧化硫和硫化氢等，有时甚至会危及生命。
以晶体管为基础构成的气体传感器芯片成为传感器领域的一个研究热点，将其应用于挥发性气体的检测已有广泛报道。有机晶体管气体传感器芯片相比于电阻式芯片，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，在气体传感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，同时利用环保材料的电子特性实现传感器芯片的高稳定、高灵敏气体传感。
现阶段溶液制备的介电层和半导体层大多大量使用了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒试剂，探究一种水溶液或醇溶液的环保材料成为实现绿色工艺的重要一环。明胶作为一种天然的蛋白质生物材料，具有含量丰富，生物环保，高介电常数，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。众所周知，半导体层是晶体管气体传感器芯片的重要部分。三明治结构作为半导体层的一种新式结构，通过引入明胶与金属离子的混合物作为夹心层，一方面明胶中特有的极化基团将有效的吸附待测气体（氨气），从而引起半导体层半导体特性的显著变化，另一方面由于金属离子的引入，从而提升了传感信号的高效传输，同时金属离子将有效提升明胶材料在低频和高频芯片电路的稳定性，从而芯片的氨气传感性能保持了较高的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有机晶体管氨气传感器芯片及其制备方法，解决目前有机晶体管氨气传感器芯片稳定性差灵敏度不高等缺陷。
本发明的目的是这样实现的：一种基于有机晶体管氨气传感器芯片，包括从下到上依次设置的衬底、栅电极、介电层、有机半导体层，所述有机半导体层中设置有夹心层，所述有机半导体层的上端分别设置有源电极和漏电极，所述介电层为明胶生物介电材料，所述有机半导体层为三明治半导体结构，分为夹在两半导体层之间的夹心层，所述夹心层为明胶与金属离子的混合物，金属离子含量为5%~10%。
作为本发明的进一步限定，所述介电层厚度为200~500nm。
作为本发明的进一步限定，所述有机半导体层厚度为30~50nm，半导体层材料为聚3-己基噻吩、Tips-并五苯、含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物、聚噻吩半导体系列中的一种制成。
作为本发明的进一步限定，所述夹心层中的金属离子包括钠、钾、锌、铟离子，厚度均为2nm。
作为本发明的进一步限定，所述栅电极、源电极和漏电极材料为铁纳米线、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、钨纳米线和铂纳米线中的一种。
一种基于有机晶体管氨气传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙酮溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2：在衬底表面制备所述栅电极；
步骤3：在所述栅电极的表面上制备介电层；
步骤4：在介电层的表面上制备一半厚度的半导体层；
步骤5：将明胶与金属离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在所述半导体层上制备半导体夹心层；
步骤6：将所述半导体夹心层上制备另一半厚度的半导体层；
步骤7：在步骤6制得后的半导体层上制备源电极和漏电极。
作为本发明的进一步限定，在所述步骤3中，所述介电层通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
作为本发明的进一步限定，所述步骤4-6中半导体层通过动甩旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
作为本发明的进一步限定，在所述步骤2和步骤7中，所述栅电极、源电极、漏电极通过真空热蒸镀、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。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1. 本发明中明胶作为一种天然的蛋白质，具有含量丰富，高介电常数，跟人体无抵触排异现象等优点，杜绝了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒试剂的使用；优异的介电特性，实现了有机晶体管氨气传感器芯片的低电压驱动（4V）；
2. 由于明胶含有大量的极化基团，如：羧基，醛基，以及含硫基团等，当采用明胶与金属离子混合作为夹心层，使得氨气的吸附能力增强，探测浓度下限更低；
3. 在本发明中夹心层中的金属离子，一方面由于金属离子的游离性，提升了传感信号的高效传输从而提升了芯片的传感灵敏度，同时金属离子的添加将有效提升明胶材料在低频和高频芯片电路的稳定性，从而芯片的氨气传感性能保持了较高的稳定性；
4. 由于有机晶体管传感器芯片的导电沟道处于介电层与有机层的界面处，采用明胶作为介电层，一方面高的介电系数有利于诱导更多的导电载流子，同时，由于明胶含有大量的极化基团，使得介电层和夹心层的明胶发生协同作用，使得夹在之间的半导体导电沟道载流子迁移率显著提升，更有效的传输传感信号，实现了传感器芯片的快速响应；
5. 本发明利用的明胶材料，由于其对氨气独特的传感特性，使得该传感器芯片对氨气具备优良的选择性。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明实施例中氨气传感器芯片响应时间电流曲线。
其中，1-衬底，2-栅电极，3-介电层，4-半导体层，5-半导体夹心层，6-源电极，7-漏电极。
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。
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，介电层为明胶，厚度为500nm；半导体层为聚3-己基噻吩(P3HT)，厚度为30nm；夹心层为明胶与钠离子的混合物，其中钠离子的含量为5%，夹心层厚度为2nm；用该结构可实现高灵敏度高响应度，高稳定性的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备银纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备15nm的半导体层聚3-己基噻吩(P3HT)；
5.将明胶与金属钠离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在聚3-己基噻吩(P3HT)上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备15nm的导体层聚3-己基噻吩(P3HT)；
7.在半导体层上制备银纳米线源电极和银纳米线漏电极。
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：栅电极、源电极和漏电极均为金纳米线，介电层为明胶，厚度为300nm。半导体层为聚噻吩，厚度为40nm。夹心层为明胶与钾离子的混合物，其中钾离子的含量为8%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高响应度的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备金纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备15nm的半导体层聚噻吩；
5.将明胶与金属钠离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在聚噻吩上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备15nm的导体层聚噻吩；
7.在半导体层上制备金纳米线源电极和金纳米线漏电极。
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金纳米线，介电层为明胶，厚度为400nm。半导体层为Tips-并五苯，厚度为50nm。夹心层为明胶与铟离子的混合物，其中铟离子的含量为10%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高响应度的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备金纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备25nm的半导体层Tips-并五苯；
5.将明胶与金属铟离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在Tips-并五苯上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备25nm的导体层Tips-并五苯；
7.在半导体层上制备金纳米线源电极和金纳米线漏电极。
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铜纳米线，介电层为明胶，厚度为200nm。半导体层为Tips-并五苯，厚度为30nm。夹心层为明胶与铟离子的混合物，其中铟离子的含量为10%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高响应速度的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备铜纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备15nm的半导体层Tips-并五苯；
5.将明胶与金属铟离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在Tips-并五苯上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备15nm的导体层Tips-并五苯；
7.在半导体层上制备铜纳米线源电极和铜纳米线漏电极。
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铝纳米线，介电层为明胶，厚度为200nm。半导体层为聚3-己基噻吩，厚度为40nm。夹心层为明胶与锌离子的混合物，其中锌离子的含量为5%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高稳定性的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备铝纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备20nm的半导体层聚3-己基噻吩；
5.将明胶与金属锌离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在聚3-己基噻吩上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备20nm的导体层聚3-己基噻吩；
7.在半导体层上制备铝纳米线源电极和铝纳米线漏电极。
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铟纳米线，介电层为明胶，厚度为400nm。半导体层为聚3-己基噻吩，厚度为30nm。夹心层为明胶与锌离子的混合物，其中锌离子的含量为6%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高响应度的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备铟纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备15nm的半导体层聚3-己基噻吩；
5.将明胶与金属锌离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在聚3-己基噻吩上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备15nm的导体层聚3-己基噻吩；
7.在半导体层上制备铟纳米线源电极和铟纳米线漏电极。
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：栅电极、源电极和漏电极均为钴纳米线，介电层为明胶，厚度为400nm。半导体层为并五苯，厚度为40nm。夹心层为明胶与锌离子的混合物，其中锌离子的含量为7%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高响应度的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备钴纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备20nm的半导体层并五苯；
5.将明胶与金属锌离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在并五苯上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备20nm的导体层并五苯；
7.在半导体层上制备钴纳米线源电极和钴纳米线漏电极。
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：栅电极、源电极和漏电极均为钨纳米线，介电层为明胶，厚度为500nm。半导体层为Tips-并五苯，厚度为40nm。夹心层为明胶与钠离子的混合物，其中钠离子的含量为7%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高稳定性的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备钨纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备20nm的半导体层Tips-并五苯；
5.将明胶与金属钠离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在Tips-并五苯上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备20nm的导体层Tips-并五苯；
7.在半导体层上制备钨纳米线源电极和钨纳米线漏电极。
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银纳米线，介电层为明胶，厚度为500nm。半导体层为硅氧烷的聚异戊二烯衍生物，厚度为40nm。夹心层为明胶与钠离子的混合物，其中钠离子的含量为7%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高稳定性的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备银纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备20nm的半导体层硅氧烷的聚异戊二烯衍生物；
5.将明胶与金属钠离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在硅氧烷的聚异戊二烯衍生物上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备20nm的导体层硅氧烷的聚异戊二烯衍生物；
7.在半导体层上制备银纳米线源电极和银纳米线漏电极。
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金纳米线，介电层为明胶，厚度为300nm。半导体层为聚3-己基噻吩，厚度为40nm。夹心层为明胶与钾离子的混合物，其中钾离子的含量为7%，夹心层厚度为2nm。用该结构可实现高灵敏度、高响应速度、高稳定性的一种有机晶体管氨气传感器芯片。
制备上述氨气传感器芯片的步骤如下：
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.在衬底表面制备金纳米线栅电极；
3.在所述栅电极上面制备明胶介电层；
4.在明胶介电层的表面上制备20nm的半导体层聚3-己基噻吩；
5.将明胶与金属钾离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在聚3-己基噻吩上制备半导体夹心层；
6.将所述半导体夹心层上制备20nm的导体层聚3-己基噻吩；
7.在半导体层上制备金纳米线源电极和金纳米线漏电极。
为了证明夹心层中的钾离子的比例影响氨气传感器芯片的稳定性和响应度，本申请实施例通过实验得到如下表格：
表1：加入不同比例钾离子夹心层的氨气传感器芯片性能参数表
由上表可以看出，本申请实施例中氨气传感器芯片的稳定性和响应度受半导体夹心层中所含钾离子的比例影响，当钾离子的比例为8%时，该氨气传感器芯片的稳定性和响应度最好。
本申请实施例还提供了采用本申请实施例中的方法，制备的氨气传感器芯片的气体响应时间电流图，如图2所示，图中横坐标为氨气传感器芯片的响应时间，纵坐标为电流变化率绝对值，曲线上的百分数响应度，检测电流减去原始电流然后除以原始电流。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于有机晶体管氨气传感器芯片，包括从下到上依次设置的衬底、栅电极、介电层、有机半导体层，所述有机半导体层中设置有夹心层，所述有机半导体层的上端分别设置有源电极和漏电极，其特征在于：所述介电层为明胶生物介电材料，所述有机半导体层为三明治半导体结构，分为夹在两半导体层之间的夹心层，所述夹心层为明胶与金属离子的混合物，金属离子含量为5%~10%。
2.根据权利要求1所述的基于有机晶体管氨气传感器芯片，其特征在于，所述介电层厚度为200~500nm。
3.根据权利要求1所述的基于有机晶体管氨气传感器芯片，其特征在于，所述有机半导体层厚度为30~50nm，半导体层材料为聚3-己基噻吩、Tips-并五苯、含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物、聚噻吩半导体系列中的一种制成。
4.根据权利要求1所述的基于有机晶体管氨气传感器芯片，其特征在于，所述夹心层中的金属离子包括钠、钾、锌、铟离子，夹心层厚度为2nm。
5.根据权利要求1所述的基于有机晶体管氨气传感器芯片，其特征在于，所述栅电极、源电极和漏电极材料为铁纳米线、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、钨纳米线和铂纳米线中的一种。
6.一种如权利要求1所述的基于有机晶体管氨气传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙酮溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤2：在衬底表面制备栅电极；
步骤3：在所述栅电极的表面上制备介电层；
步骤4：在介电层的表面上制备一半厚度的半导体层；
步骤5：将明胶与金属离子材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在所述半导体层上制备半导体夹心层；
步骤6：将所述半导体夹心层上制备另一半厚度的半导体层；
步骤7：在步骤6制得后的半导体层上制备源电极和漏电极。
7.根据权利要求6所述的基于有机晶体管氨气传感器芯片的制备方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述介电层通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
8.根据权利要求6所述的基于有机晶体管氨气传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤4-6中半导体层通过动甩旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
9.根据权利要求6所述的基于有机晶体管氨气传感器芯片的制备方法，其特征在于，在所述步骤2和步骤7中，所述栅电极、源电极、漏电极通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的一种方法制备。
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2019
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Also Published As
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