CN112051316A - 一种基于有机薄膜晶体管的氨气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有机薄膜晶体管的氨气传感器及其制备方法，属于传感器制备技术领域，从下到上依次包括衬底、栅电极、介电层、半导体层、源电极和漏电极，所述介电层由第一介电层和第二介电层组成的双介电层结构，所述第一介电层为机介电材料，所述第二介电层由鸡蛋清为原料制备而成。本发明利用鸡蛋清为原料制得第二介电层，有效减少了有毒试剂的使用；并且由于鸡蛋清含有丰富蛋白质，具有多种官能团，更容易感应外界气体，提升有机薄膜晶体管的气体传感响应；同时该气体传感器采用这种天然生物材料鸡蛋清，生物环保、无毒可降解，成本更低，适宜大规模量产。
Description
技术领域
本发明属于传感器制备技术领域，特别涉及一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器及其制备方法。
背景技术
在当今信息时代，传感器技术已成为现代信息技术中必不可少的一部分，它在国民经济和国防建设中都占有十分重要的地位。传感器是现代信息系统和各种装备必需的信息采集手段，作为信息技术的三大支柱之一，其应用领域十分宽广，对提高经济效益和生产技术水平、增强国防实力有着举足轻重的作用。
以场效应管为基础构成的气体传感器成为传感器领域的一个研究热点，将其应用于无机和挥发性气体的检测已有广泛报道。有机薄膜晶体管气体传感器相比于电阻式器件，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。近几年，适用于有机电子和有机光电子器件的生物材料引起了研究者的广泛关注，大量具有生物相容性和生物可降解性的材料都被报道用来制备有机薄膜晶体管器件。生物材料含量丰富，具有生物可降解性，并且对环境无害等特点，在医疗和生物化学传感器等领域有巨大前景，目前已成为世界各课题组主要研究的内容之一。在之前的大量研究当中，对于生物材料的研究主要着重于载流子的传输方面，而对于材料在其他方面的性能(例如传感、发光、存储等方面)研究较少。近年来，对于生物材料其他方面性能的研究大量的展开。因此，如何选取生物材料和制备有机薄膜晶体管，以达到场效应管的最佳性能指标，是现在研究的一大热点。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述的问题，本发明提供一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器及其制备方法，制备工艺简单，生产成本低廉，绿色环保，具有高灵敏度和高稳定性。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器，从下到上依次包括衬底、栅电极、介电层、半导体层、源电极和漏电极，所述介电层由第一介电层和第二介电层组成的双介电层结构，所述第一介电层为机介电材料，所述第二介电层由鸡蛋清为原料制备而成。
本发明利用鸡蛋清，天然无毒且含量丰富无需制备的生物材料，有效减少了有毒试剂的使用；同时鸡蛋清本身具备良好的绝缘性能和高介电常数，可作为良好的介电材料用于有机薄膜晶体管器件；并且由于鸡蛋清含有丰富蛋白质，具有多种官能团，更容易感应外界气体，提升有机薄膜晶体管的气体传感响应；同时该气体传感器采用这种天然生物材料鸡蛋清，生物环保、无毒可降解，成本更低，适宜大规模量产。
优选的，所述第一介电层的有机材料为聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)中的一种或几种，厚度为300-500nm。
优选的，所述第二介电层的制备方法为：将过滤后的鸡蛋清与去离子水按重量比例1：(0-3)进行混合，用混合后的溶液在第一介电层上制备第二介电层，在110-130度进行退火处理，即得第二介电层，厚度为200-400nm。
优选的，所述半导体层由有机半导体材料构成，所述有机半导体材料为酞菁铜(CuPc)、聚3-己基噻吩(P3HT)、Tips-并五苯(Tips-pentacene)、含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物、PBTTT系列的中一种或几种，厚度为30-70nm。
优选的，所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为金属纳米线，所述金属纳米线包括铁纳米线、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或几种。
一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤二：在衬底表面制备栅电极；
步骤三：在所述栅电极上面制备由有机介电材料构成的第一介电层；
步骤四：将鸡蛋清进行过滤，过滤后的鸡蛋清与去离子水按重量比例1：(0-3)进行混合，用混合后的溶液在第一介电层上制备第二介电层，在110-130度进行退火处理，即得第二介电层；由于高温处理，鸡蛋清中的蛋白质分子之间会形成二硫键；
步骤五：在介电层上制备半导体层；
步骤六：在半导体层上制备源电极和漏电极。
优选的，在步骤二中，栅电极是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任一种方法制备。
优选的，在步骤三中，第一介电层通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的任一种方法制备；在步骤四中，第二介电层通过旋涂方法制备。
优选的，在步骤五中，所述半导体层是通过真空热蒸镀、动甩旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的任一种方法制备。
优选的，在步骤六中，源电极、漏电极是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任一种方法制备。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明第二介电层采用鸡蛋清，一种天然的生物材料，具有容易得到，数量足够，经济，提取工艺简单，跟人体无抵触排异现象等优点，减少了氯苯、甲苯、氯仿以及苯甲醚等有毒试剂的使用；鸡蛋清作为一种介电层，增大了介电层电容，从而减小了工作电压，从而实现了传感器的低电压驱动；鸡蛋清介电层丰富的蛋白质，会将到达半导体层/介电层界面的待测气体分子吸附在此，当环境的气体发生改变时，将引起半导体材料迁移率，接触电阻以及结构的变化，从而其电学性质发生较大变化；
(2)本发明第二介电层制作时，将鸡蛋清介电层采用高温退火处理，鸡蛋清中的蛋白质可以在不需要任何交联剂的情况下，在两个蛋白质分子之间形成二硫键，从而减小了栅漏电流；鸡蛋清中丰富的蛋白质、氢键的相互作用以及高温处理下二硫键的形成，解决了生物材料有机薄膜晶体管的迟滞现象这一问题；
(3)本发明采用有机介电材料与鸡蛋清双介电层，将介电层串联来构筑器件，调节了传感器在空气中工作的稳定性，从而实现了传感器的空气稳定性良好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实例2对于不同浓度氨气的开态电流的变化图。
图中标记为：1-衬底，2-栅电极，3-介电层Ⅰ，4-介电层Ⅱ，5-半导体层，6-源电极，7-漏电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
如图1所示，一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器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Ⅰ采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，厚度为300nm，介电层Ⅱ为鸡蛋清(鸡蛋清：去离子水＝1：1)，厚度为200nm，半导体层为聚3-己基噻吩(P3HT)，厚度为50nm。用该结构可实现高灵敏度高响应度，高稳定性的一种有机薄膜晶体管氨气传感器。
其制备方法，包括以下步骤：
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聚甲基丙烯酸甲酯介电层Ⅰ；
4.将新鲜鸡蛋的鸡蛋清进行过滤后，与去离子水按照1：1的比例进行混合。用混合后的溶液在介电层Ⅰ上制备介电层Ⅱ；用高温120度进行退火处理。由于高温处理，鸡蛋清中的蛋白质分子之间会形成二硫键；
5.在所述介电层上面制备聚3-己基噻吩半导体层；
6.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2：
如图1所示，一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器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Ⅰ采用聚苯乙烯(PS)，厚度为350nm，介电层Ⅱ为鸡蛋清(鸡蛋清：去离子水＝1：0)，厚度为400nm，半导体层为酞菁铜(CuPc)，厚度为30nm。用该结构可实现高灵敏度高响应度，高稳定性的一种有机薄膜晶体管氨气传感器。
其制备方法，包括以下步骤：
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聚苯乙烯介电层Ⅰ；
4.将新鲜鸡蛋的鸡蛋清进行过滤，用过滤后的溶液在介电层Ⅰ上制备介电层Ⅱ；用高温120度进行退火处理。由于高温处理，鸡蛋清中的蛋白质分子之间会形成二硫键；
5.在所述介电层上面制备酞菁铜半导体层；
6.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，一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器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Ⅰ采用聚酰亚胺(PI)，厚度为500nm，介电层Ⅱ为鸡蛋清(鸡蛋清：去离子水＝1：2)，厚度为150nm，半导体层为Tips-并五苯(Tips-pentacene)，厚度为70nm。用该结构可实现高灵敏度高响应度，高稳定性的一种有机薄膜晶体管氨气传感器。
其制备方法，包括以下步骤：
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聚酰亚胺介电层Ⅰ；
4.将新鲜鸡蛋的鸡蛋清进行过滤后，与去离子水按照1：2的比例进行混合。用混合后的溶液在介电层Ⅰ上制备介电层Ⅱ；用高温120度进行退火处理。由于高温处理，鸡蛋清中的蛋白质分子之间会形成二硫键；
5.在所述介电层上面制备Tips-并五苯半导体层；
6.在半导体层上制备银纳米线源电极和银纳米线漏电极。
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 (10)
1.一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器，从下到上依次包括衬底、栅电极、介电层、半导体层、源电极和漏电极，其特征在于，所述介电层由第一介电层和第二介电层组成的双介电层结构，所述第一介电层为机介电材料，所述第二介电层由鸡蛋清为原料制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器，其特征在于，所述第一介电层的有机材料为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯中的一种或几种，厚度为300-500nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器，其特征在于，所述第二介电层的制备方法为：将过滤后的鸡蛋清与去离子水按重量比例1：(0-3)进行混合，用混合后的溶液在第一介电层上制备第二介电层，在110-130度进行退火处理，即得第二介电层，厚度为200-400nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器，其特征在于，所述半导体层由有机半导体材料构成，所述有机半导体材料为酞菁铜、聚3-己基噻吩、Tips-并五苯、含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物、PBTTT系列的中一种或几种，厚度为30-70nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器，其特征在于，所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为金属纳米线，所述金属纳米线包括铁纳米线、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或几种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行超声清洗，清洗后用氮气吹干；
步骤二：在衬底表面制备栅电极；
步骤三：在所述栅电极上面制备由有机介电材料构成的第一介电层；
步骤四：将鸡蛋清进行过滤，过滤后的鸡蛋清与去离子水按重量比例1：(0-3)进行混合，用混合后的溶液在第一介电层上制备第二介电层，在110-130度进行退火处理，即得第二介电层；
步骤五：在介电层上制备半导体层；
步骤六：在半导体层上制备源电极和漏电极。
7.根据权利要求6所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器的制备方法，其特征在于，在步骤二中，栅电极是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任一种方法制备。
8.根据权利要求6所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器的制备方法，其特征在于，在步骤三中，第一介电层通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的任一种方法制备；在步骤四中，第二介电层通过旋涂方法制备。
9.根据权利要求6所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器的制备方法，其特征在于，在步骤五中，所述半导体层是通过真空热蒸镀、动甩旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的任一种方法制备。
10.根据权利要求6所述的一种基于有机薄膜晶体管的氨气传感器的制备方法，其特征在于，在步骤六中，源电极、漏电极是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的任一种方法制备。
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