CN109888102B - 一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其有机场效应晶体管半导体层为嵌段共轭聚合物纳米线，由嵌段共聚物半导体材料和聚合物绝缘材料分别溶解在溶剂中再混合形成共混溶液，通过控制嵌段共聚物半导体材料和聚合物绝缘材料的质量比，获得不同密度的嵌段共聚物半导体纳米线。本发明的嵌段共聚物半导体纳米线作为有机场效应晶体管光探测器的半导体层，能够增强对深紫外区的光响应。本发明首次提出将共轭聚合物用于日盲区深紫外光的响应上，并制备了高性能有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器，本发明在深紫外区域实现了良好的光选择性和光响应性，光响应达到120A/W，外部量子效率高达50000％。
Description
技术领域
本发明涉及日盲区深紫外光电检测器领域，具体是一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器。
背景技术
日盲区光谱区(200-280nm)由一个特定的光波段定义，该波段不能穿透大气层并到达地球表面。日盲区深紫外光电检测器设备在军事监视、目标探测和获取、导弹发射探测、远程控制、化学分析、火焰探测等方面具有广泛应用前景。深紫外光电探测器对深紫外区域具有高响应性，不受环境可见光或长波长紫外光的干扰，对于跟踪大气中的臭氧层空洞至关重要。此外，深紫外光电探测器在生物和医学分析中有很大的潜力，因为深紫外波段光子可以被DNA分子强烈吸收，导致显著的损伤。因此制备出高性能深紫外光电探测器具有十分重要的意义。
目前实现深紫外光检测的方法是合成宽带隙半导体，例如氮化镓、金刚石或碳化硅，其在高温下具有稳定性。然而，它们的大部分合成过程复杂，材料昂贵。此外，这些材料的刚性限制了它们在柔性设备中的应用，即很难应用在可穿戴设备中。
共轭聚合物有机场效应晶体管由于具有可大面积溶液法加工，可制备柔性器件，成本低等潜在优势近年来受到了广泛的关注和研究。但现有技术中还没有利用共轭聚合物制备深紫外光电探测器的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，以解决现有技术深紫外光检测器的刚性限制其在柔性设备应用的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，包括衬底、栅电极、栅绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其特征在于：其中的有机半导体层为制备于栅绝缘层上的嵌段共聚物半导体纳米线，嵌段共聚物半导体纳米线由嵌段共聚物制成，所述嵌段共聚物由共轭段和加入共轭段的绝缘段组成，嵌段共聚物中绝缘段由对日盲区深紫外光选择性响应的材料制成，由绝缘段作为为光感应段。
所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器只对深紫外光有选择性响应，对波长大于300nm的光没有响应。
所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的嵌段共聚物半导体纳米线通过刮涂法、或旋涂法、或喷墨印刷法制备于栅绝缘层。
所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的嵌段共聚物半导体纳米线厚度为7-13纳米。
所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的绝缘段通过嵌段或接枝的方法加入共轭段。
所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的共轭段为2，5-二溴-3–烷基噻吩制成，共轭段材料为一个键连接有R1的噻吩，其化学式如下：
其中，R1为具有1-20个C原子的直链烷基；
或者，共轭段为2，5-二溴-3–烷基噻吩并[3，2-b]噻吩材料制成，共轭段材料为一个键连接有R2的噻吩并噻吩，其化学式如下：
其中，R2为具有1-25个C原子的直链烷基。
所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：共轭段的材料为2，5-二溴-3-己基噻吩，或2，5-二溴-3–辛基噻吩，或2，5-二溴-3–十二烷基噻吩并[3，2-b]噻吩材料。
所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的绝缘段为对日盲区深紫外光选择性响应的材料，由烷基氧丙烯材料制成，绝缘段材料为氧基连接有R3的氧丙烯，化学式如下：
其中R3为具有1-20个C原子的直链烷基。
所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：绝缘段的材料为六烷基氧丙烯、或十烷基氧丙烯、或十六烷基氧丙烯材料。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明首次将嵌段共聚物半导体应用于日盲区深紫外光的响应上，使得制备的日盲区深紫外光探测器可用于柔性设备。
2、本发明的有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器只对深紫外光有选择性响应，对波长大于300nm的光没有响应
3、本发明的场效应晶体管日盲区深紫外光探测器由于光感应段即绝缘段的加入，增强了对深紫外区的光响应，具有光响应性和光选择性良好的优点，在日盲区深紫外光探测器方面具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中所得PHA-1.5m纳米线的原子力显微镜图片。
图2为本发明实施例中所得P3HT-b-PHA纳米线有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器的结构示意图。
图3为本发明实施例中所得PHA-1.5m纳米线有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器在不同光强(254nm)下的转移曲线。
图4为本发明实施例中所得PHA-1.5m纳米线有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器在栅极偏压(-80V)和漏极偏压(-10V)下的时间相关光响应曲线。
图5为本发明实施例中所得PHA-1.5m纳米线有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器和PHA-1.5m薄膜有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器的紫外-可见光谱选择性示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，包括衬底、栅电极、栅绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其中的有机半导体层为制备于栅绝缘层上的嵌段共聚物半导体纳米线，嵌段共聚物半导体纳米线由嵌段共聚物制成，所述嵌段共聚物由共轭段和加入共轭段的绝缘段组成，嵌段共聚物中绝缘段由对日盲区深紫外光选择性响应的材料制成，由绝缘段作为为光感应段。
本发明中，嵌段共聚物由共轭段GED与绝缘段JYD组成，其化学式如下：
本发明中，嵌段共聚物半导体纳米线通过刮涂法、或旋涂法、或喷墨印刷法制备于栅绝缘层。嵌段共聚物半导体纳米线厚度为7-13纳米。
本发明中，绝缘段通过嵌段或接枝的方法加入共轭段。
本发明中，所述的共轭段为2，5-二溴-3–烷基噻吩制成，共轭段材料为一个键连接有R1的噻吩，其化学式如下：
其中，R1为具有1-20个C原子的直链烷基；
或者，共轭段为2，5-二溴-3–烷基噻吩并[3，2-b]噻吩材料制成，共轭段材料为一个键连接有R2的噻吩并噻吩，其化学式如下：
其中，R2为具有1-25个C原子的直链烷基。
具有代表性的共轭段的材料为2，5-二溴-3-己基噻吩，或2，5-二溴-3–辛基噻吩，或2，5-二溴-3–十二烷基噻吩并[3，2-b]噻吩材料。其中：
2，5-二溴-3-己基噻吩材料的化学式如下：
2，5-二溴-3–辛基噻吩材料的化学式如下：
2，5-二溴-3–十二烷基噻吩并[3，2-b]噻吩材料的化学式如下：
本发明中，所述的绝缘段为对日盲区深紫外光选择性响应的材料，由烷基氧丙烯材料制成，绝缘段材料为氧基连接有R3的氧丙烯，化学式如下：
其中R3为具有1-20个C原子的直链烷基。
具有代表性的绝缘段的材料为六烷基氧丙烯、或十烷基氧丙烯、或十六烷基氧丙烯材料。其中：
六烷基氧丙烯的化学式如下：
十烷基氧丙烯的化学式如下：
十六烷基氧丙烯的化学式如下：
本发明中，有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器只对深紫外光有选择性响应，对波长大于300nm的光没有响应
本发明具体实施例中，以2，5-二溴-3-己基噻吩作为共轭段的材料，并以十六烷基氧丙烯作为绝缘段的材料为例，说明本发明的嵌段共聚物和本发明的制备方法。
由2，5-二溴-3-己基噻吩和十六烷基氧丙烯组成的嵌段共聚物的名称为聚(3-己基噻吩)-聚(十六烷基氧丙烯)，即P3HT-b-PHA，其化学式如下：
本发明实施例中，以嵌段共聚物P3HT-b-PHA为例，说明其制备P3HT-b-PHA半导体纳米线，以及基于P3HT-b-PHA半导体纳米线制备有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器的过程：
(1)将P3HT-b-PHA溶解在邻二氯苯中形成浓度为5mg/mL的溶液A，将PMMA溶解在邻二氯苯中形成浓度为130mg/mL的溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀，即构成共混溶液。
(2)将在浓硫酸-双氧水混合溶液加热后洗净的n型硅片作为基底；通过旋涂法将共混溶液旋涂在基底上并室温下真空干燥，从而在基底上形成以PMMA薄膜为底层、以P3HT-b-PHA纳米线为顶层的双层薄膜；
(3)取表面带有二氧化硅的硅片(且表面二氧化硅用聚(2,3-双(二氟甲基)-2,3,4,4,5,5-环六氟四氢呋喃)Cytop进行修饰)作为衬底，将双层薄膜漂浮在去离子水中，然后通过衬底翻转捞出，以在衬底上形成以P3HT-b-PHA纳米线为底层、以PMMA薄膜为顶层的翻转双层薄膜；用乙酸乙酯洗涤翻转双层薄膜以去除PMMA薄膜，即获得P3HT-b-PHA纳米线。
图1为本实施例所得P3HT-b-PHA纳米线的原子力显微镜图片，当P3HT-b-PHA的浓度从0.75mg/ml增加到3mg/ml时纳米线的密度明显增大，纳米线的直径主要分布在14-18纳米范围内，与密度无关。
(4)在超薄膜上蒸镀金电极作为源、漏电极，沟道长、宽分别为100μm和1000μm，并以衬底硅作为栅极，即获得P3HT-b-PHA纳米线有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器，其结构如图2所示。
按如下方法测试本实施例所得P3HT-b-PHA纳米线有机场效应晶体管光探测器在深紫外区的光响应曲线：
采用Keithley 4200半导体器件分析仪测试有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器的电学性能，得到器件的转移曲线，结果如图3所示。
采用半导体器件分析仪配备的单色LED光源，入射紫外光从光源直接聚焦并引导到器件上，测试有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器的光学性能，得到器件的时间相关光响应曲线，如图4所示。在器件分析之前，入射光的功率强度由功率计校准(ThorlabsGmbH,PM 100D)。
采用UNIC 4802紫外/可见双光束分光光度计测试P3HT-b-PHA纳米线和P3HT-b-PHA膜的光谱选择性，结果如图5所示。左图为P3HT-b-PHA纳米线的光谱图，右图为P3HT-b-PHA薄膜的光谱图，可见P3HT-b-PHA薄膜在除了波长小于400nm的光学响应之外，旋涂膜对500-650nm的光照有明显响应，而P3HT-b-PHA纳米线仅对深紫外区光照响应，对波长大于300nm的光没有响应，结果表明纳米纤维结构增强了P3HT-b-PHA对于深紫外光响应的选择性。
以上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 (3)
1.一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，包括衬底、栅电极、栅绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其特征在于：其中的有机半导体层为制备于栅绝缘层上的嵌段共聚物半导体纳米线，嵌段共聚物半导体纳米线由嵌段共聚物制成，所述嵌段共聚物由共轭段和加入共轭段的绝缘段组成，嵌段共聚物中绝缘段由对日盲区深紫外光选择性响应的材料制成，由绝缘段作为为光感应段；
有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器只对深紫外光有选择性响应，对波长大于300 nm的光没有响应；
所述的嵌段共聚物半导体纳米线通过刮涂法、或旋涂法、或喷墨印刷法制备于栅绝缘层；
所述的嵌段共聚物半导体纳米线厚度为14-18纳米；
所述的绝缘段通过嵌段或接枝的方法加入共轭段；
所述的共轭段为2，5 -二溴- 3 –烷基噻吩制成，共轭段材料为一个键连接有R1的噻吩，其化学式如下：
其中，R1为具有1-20个C原子的直链烷基；
或者，共轭段为2，5 -二溴- 3 –烷基噻吩并[ 3，2 - b ]噻吩材料制成，共轭段材料为一个键连接有R2的噻吩并噻吩，其化学式如下：
其中，R2为具有1-25个C原子的直链烷基；
所述的绝缘段为对日盲区深紫外光选择性响应的材料，绝缘段材料为氧基连接有R3的氧丙烯，化学式如下：
其中R3为具有1-20个C原子的直链烷基。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：共轭段的材料为2，5 -二溴- 3 -己基噻吩，或2，5 -二溴- 3 –辛基噻吩，或2，5 -二溴- 3 –十二烷基噻吩并[ 3，2 - b ]噻吩材料。
3.据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：绝缘段的材料为六烷基氧丙烯、或十烷基氧丙烯、或十六烷基氧丙烯材料。
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Non-Patent Citations (2)
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| High-Performance Visible-Blind UV Phototransistors Based on n‑Type Naphthalene Diimide Nanomaterials;Inho Song等;《ACS Appl. Mater. Interfaces》;20180321;第10卷;全文 * |
| 聚3-己基噻吩嵌段聚合物的制备与场效应性能研究;张云峰;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技Ⅰ辑》;20190115(第1期);正文第1页第1段至第59页第5段 * |
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