CN110501385A - 一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器及其制备方法，所述二氧化氮传感器为顶栅顶接触式结构，包括从下到上依次设置的衬底、有机半导体层、支撑膜和栅电极，所述有机半导体层、支撑膜和栅电极围合形成介电层，所述介电层在支撑膜作用下由外界环境空气形成空气介电层，在所述空气介电层内且在有机半导体层上表面上分别设置有源电极和漏电极。与传统有机薄膜晶体管二氧化氮传感器相比，空气介电层的引入避免了二氧化氮在半导体薄膜中缓慢的扩散过程，使得待测气体直接与半导体层沟道相互作用，从而实现了更快的响应回复速度以及高的探测率。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器领域,具体的涉及一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器及其制备方法。
背景技术
二氧化氮是一种棕红色有刺激性气味的气体。主要来自于车辆废气、火力发电站和其他工业的燃料燃烧及硝酸、氮肥、炸药的工业生产过程。二氧化氮是一种影响空气质量的重要污染物，吸入二氧化氮会导致中毒反应甚至致命。二氧化氮主要损害呼吸道，吸入气体初期仅有轻微的眼及上呼吸道刺激症状，如咽部不适、干咳等。常经数小时至十几小时或更长时间潜伏期后发生迟发性肺水肿、成为呼吸窘迫综合征，出现胸闷、呼吸窘迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫绀等。可并发气胸及纵隔气肿。肺水肿消退后两周左右可出现迟发性阻塞性细支气管炎。慢性毒害主要表现为神经衰弱综合征及慢性呼吸道炎症，个别病例出现肺纤维化，可引起牙齿酸蚀症。长期暴露在浓度为40到100毫克/立方米的二氧化氮环境中会影响人的身体健康。二氧化氮所带来的环境效应多种多样，包括：对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化的影响；大气能见度的降低；地表水的酸化，富营养化以及增加水体中有害于鱼类和其它水生生物的毒素含量；腐蚀金属、油漆、皮革、纺织品及建筑材料等；渗入地下，可引起地下水酸化，酸化后的地下水中铝、铜、锌、镉等对人体有害金属元素的含量会偏。高二氧化氮也是形成光化学烟雾和酸雨的主要因素之一。因此，研制新型二氧化氮气体传感器替代传统的二氧化氮分析仪器和有机半导体传感器，以便快速检测和预警二氧化氮水平，具有重要意义。
目前，检测二氧化氮的技术手段种类繁多，包括气相色谱、红外光谱、毛细管电泳、电化学、光化学等方法，然而，这些方法具有设备复杂、检测周期长或成本高等不足，因此，简单而高效的有机半导体电学传感器始终是二氧化氮传感器领域的研究热点。其中，基于有机半导体与二氧化氮相互作用的有机薄膜晶体管，由于具有材料来源广泛、制备工艺简单、柔性可拉伸、多参数检测及可室温工作等突出的优点，引起了研究人员的广泛关注。然而由于有机半导体材料对二氧化氮缓慢的吸附与解吸附过程，现有的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器往往具有较差的响应和回复速度，为其实际应用制造了阻碍。
因此，如何实现快的响应速度、高的响应度、高的灵敏度以及高的稳定性的传感器，是现在研究的一大热点。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述机半导体材料对二氧化氮存在缓慢的吸附与解吸附的过程，导致的二氧化氮传感器的回复速度、灵敏度差的问题，本发明提供一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器。
本发明的另外一个目的是提供一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，所述二氧化氮传感器为顶栅顶接触式结构，包括从下到上依次设置的衬底、有机半导体层、支撑膜和栅电极，所述有机半导体层、支撑膜和栅电极围合形成介电层，所述介电层在支撑膜作用下由外界环境空气形成空气介电层，在所述空气介电层内且在有机半导体层上表面上分别设置有源电极和漏电极。
本发明中通过引入空气介电层，使得二氧化氮直接与半导体层沟道相互作用，避免了二氧化氮在半导体中缓慢的扩散与吸附，从而提升了气体传感器的响应回复速度和灵敏度。
优选地，所述空气介电层和支撑膜厚度均为1-500μm。
优选地，所述支撑膜材料为聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚苯乙烯(EPS)、聚乙烯醇、聚(4-乙烯基苯酚)、交联聚(4-乙烯基苯酚)(PVP-co-PMF)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种或多种。
优选地，所述有机半导体材料为并五苯、酞菁铜(CuPc)、红荧烯、六噻吩、6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯(Tips-pentacene)、2,7-二辛[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩聚(2,5-二烷基噻吩-噻吩并[3,2-b]噻吩(PBTTT)和聚3-己基噻吩(P3HT)中的一种或几种。
优选地，所述有机半导体层的厚度为5-50nm。
优选地，所述栅电极、源电极、漏电极的材料均为金属、金属合金、金属氧化物和导电聚合物中的一种或多种；所述源电极、漏电极的厚度相等，且其厚度为50-100nm。
优选地，所述衬底为硅片、玻璃、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的任一种。
一种制备有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的方法，包括以下步骤：
a)选择衬底，在衬底上制备有机半导体层；
b)在有机半导体层上通过光刻法制备支撑膜；
c)在有机半导体层上制备源电极和漏电极；
d)在支撑膜上转印栅电极。
优选地，所述步骤a)中有机半导体层采用旋涂、磁控溅射、表面氧化、辊涂、滴膜、压印、印刷和喷涂中的一种制备方法。
优选地，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、丝网印刷和喷墨打印中的任一种方法制备。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.与传统的需要有机半导体材料与二氧化氮进行的缓慢的吸附与解吸附过程相比，本发明通过引入空气介电层，使得二氧化氮直接与半导体层沟道相互作用，避免了二氧化氮在半导体中缓慢的扩散与吸附，从而提升了气体传感器的响应回复速度，二氧化氮与沟道的直接接触增强了其相互作用，使得器件获得高的灵敏度；
2.本发明所采用的有机半导体材料、支撑膜材料、栅电极、源电极、漏电极的材料以及衬底的材料均为有机电子学领域常见和易得的材料，能够使传二氧化氮传感器的制备更易实现及推广；且对他们的厚度进行限定，使其材料选择范围更广，并且在保证其性能的同时，能够节省材料
3.所述衬底的材料具有一定的防水汽和氧气渗透的能力，并且具有较好的平整度，能够使二氧化氮传感器的制备更易实现及推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是实施案例1中的二氧化氮传感器时间电流曲线。
图中标记：1-衬底；2-有机半导体层；3-源电极；4-漏电极；5-支撑膜；6-空气介电层；7-栅电极。
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
一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，如图1所示，为顶栅顶接触式结构，器件各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃；有机半导体层2为P3HT，厚度为30nm；源电极3和漏电极4均为Au，厚度为50nm；支撑膜5为PMMA，厚度为100μm；栅电极7为ITO，厚度为200nm。
基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的制备方法如下：
1)对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
2)采用旋涂法(真空蒸镀法)在衬底表面制备P3HT薄膜形成有机半导体层2；
3)采用旋涂法在P3HT上制备PMMA薄膜，并利用光刻方法形成支撑膜5；
4)采用真空蒸镀法制备源电极3和漏电极4；
5)采用真空蒸镀法制备栅电极7，并转印到支撑膜上。
如图2所示可知，基于实施例1中的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器相比于传统底栅顶接触结构的传感器有着更高的灵敏度，同时也表现出更快地响应回复速度，因此空气介电层的引入有效地提高了二氧化氮传感器的探测性能。
实施例2
一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，如图1所示，为顶栅顶接触式结构，器件各层的材料和厚度为：衬底1为聚四氟乙烯；有机半导体层2为Tips-pentacene，厚度为35nm；源电极3和漏电极4均为Au，厚度为75nm；支撑膜5为(PVP-co-PMF)，厚度为50μm；栅电极7为ITO，厚度为200nm。
基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的制备方法如下：
1)对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
2)采用旋涂法在衬底表面制备Tips-pentacene薄膜形成有机半导体层2；
3)采用旋涂法在Tips-pentacene上制备(PVP-co-PMF)薄膜，并利用光刻方法形成支撑膜5；
4)采用真空蒸镀法制备源电极3和漏电极4；
5)采用真空蒸镀法制备栅电极7，并转印到支撑膜上。
实施例3
一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，如图1所示，为顶栅顶接触式结构，器件各层的材料和厚度为：衬底1为聚对苯二甲酸乙二醇酯；有机半导体层2为P3HT，厚度为35nm；源电极3和漏电极4均为Au，厚度为100nm；支撑膜5为PVP-co-PMF，厚度为150μm；栅电极7为Au，厚度为100nm。
基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的制备方法如下：
1)对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
2)采用旋涂法在衬底表面制备P3HT薄膜形成有机半导体层2；
3)采用旋涂法在P3HT上制备PVP-co-PMF薄膜，并利用光刻方法形成支撑膜5；
4)采用真空蒸镀法制备源电极3和漏电极4；
5)采用真空蒸镀法制备栅电极7，并转印到支撑膜上。
实施例4
一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，如图1所示，为顶栅顶接触式结构，器件各层的材料和厚度为：衬底1为聚酰亚胺；有机半导体层2为P3HT，厚度为35nm；源电极3和漏电极4均为Au，厚度为50nm；支撑膜5为PVP-co-PMF，厚度为200μm；栅电极7为Au，厚度为150nm；。
基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的制备方法如下：
1)对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
2)采用旋涂法在衬底表面制备P3HT薄膜形成有机半导体层2；
3)采用旋涂法在P3HT上制备PVP-co-PMF薄膜，并利用光刻方法形成支撑膜5；
4)采用真空蒸镀法制备源电极3和漏电极4；
5)采用真空蒸镀法制备栅电极7，并转印到支撑膜上。
实施例5
一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，如图1所示，为顶栅顶接触式结构，器件各层的材料和厚度为：衬底1为玻璃；有机半导体层2为P3HT，厚度为35nm；源电极3和漏电极4均为Au，厚度为50nm；支撑膜5为EPS，厚度为300μm；栅电极7为Au，厚度为200nm。
基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的制备方法如下：
1)对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
2)采用旋涂法在衬底表面制备P3HT薄膜形成有机半导体层2；
3)采用旋涂法在P3HT上制备PS薄膜，并利用光刻方法形成支撑膜5；
4)采用真空蒸镀法制备源电极3和漏电极4；
5)采用真空蒸镀法制备栅电极7，并转印到支撑膜上。
实施例6
一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，如图1所示，为顶栅顶接触式结构，器件各层的材料和厚度为：衬底1为硅片；有机半导体层2为PBTTT，厚度为30nm；源电极3和漏电极4均为Au，厚度为50nm；支撑膜5为PDMS，厚度为500μm；栅电极7为Au，厚度为100nm；。
基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的制备方法如下：
1)对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
2)采用旋涂法在衬底表面制备PBTTT薄膜形成有机半导体层2；
3)采用旋涂法在PBTTT上制备PDMS薄膜，并利用光刻方法形成支撑膜5；
4)采用真空蒸镀法制备源电极3和漏电极4；
5)采用真空蒸镀法制备栅电极7，并转印到支撑膜上。
实施例7
一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，如图1所示，为顶栅顶接触式结构，器件各层的材料和厚度为：衬底1为硅片；有机半导体层2为CuPc，厚度为25nm；源电极3和漏电极4均为Au，厚度为50nm；支撑膜5为PDMS，厚度为300μm；栅电极7为Au，厚度为100nm。
基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的制备方法如下：
1)对衬底1进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
2)采用真空蒸镀法在衬底表面制备CuPc薄膜形成有机半导体层2；
3)采用旋涂法在CuPc上制备PDMS薄膜，并利用光刻方法形成支撑膜5；
4)采用真空蒸镀法制备源电极3和漏电极4；
5)采用真空蒸镀法制备栅电极7，并转印到支撑膜上。
Claims (10)
1.一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，所述二氧化氮传感器为顶栅顶接触式结构，包括从下到上依次设置的衬底、有机半导体层、支撑膜和栅电极，其特征在于，所述有机半导体层、支撑膜和栅电极围合形成介电层，所述介电层在支撑膜作用下由外界环境空气形成空气介电层，在所述空气介电层内且在有机半导体层上表面上分别设置有源电极和漏电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，其特征在于，所述空气介电层和支撑膜厚度均为1-500μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，其特征在于，所述支撑膜材料为聚(二甲基硅氧烷)、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚(4-乙烯基苯酚)、交联聚(4-乙烯基苯酚)和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，其特征在于，所述有机半导体材料为并五苯、酞菁铜、红荧烯、六噻吩、6,13-双(三异丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯、2,7-二辛[1]苯并噻吩并[3,2-b]苯并噻吩聚(2,5-二烷基噻吩-噻吩并[3,2-b]噻吩和聚3-己基噻吩中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，其特征在于，所述有机半导体层的厚度为5-50nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，其特征在于，所述栅电极、源电极、漏电极的材料均为金属、金属合金、金属氧化物和导电聚合物中的一种或多种；所述源电极、漏电极的厚度相等，且其厚度为50-100nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于空气介电层的有机薄膜晶体管二氧化氮传感器，其特征在于，所述衬底为硅片、玻璃、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的任一种。
8.一种制备有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)选择衬底，在衬底上制备有机半导体层；
b)在有机半导体层上通过光刻法制备支撑膜；
c)在有机半导体层上制备源电极和漏电极；
d)在支撑膜上转印栅电极。
9.根据权利要求8所述的一种制备有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的方法，其特征在于，所述步骤a)中有机半导体层采用旋涂、磁控溅射、表面氧化、辊涂、滴膜、压印、印刷和喷涂中的一种制备方法。
10.根据权利要求8所述的一种制备有机薄膜晶体管二氧化氮传感器的方法，其特征在于，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、丝网印刷和喷墨打印中的任一种方法制备。
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