CN112531114A - 一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫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场效应晶体管的二氧化硫传感器及其制备方法,属于二氧化硫传感器领域,包括从下到上依次设置的衬底、栅电极、栅极绝缘层和有机半导体层,所述有机半导体层上设置有源电极和漏电极,所述有机半导体层为可溶性的有机半导体材料,在有机半导体层加入质量分数为5%~10%的花青素以及12%~17%的辅酶Q10;利用花青素和辅酶Q10的抗氧化性,增强了器件在空气中的稳定性,寿命更长,同时,花青素和辅酶Q10都具有极强的还原性,能够解决二氧化硫难以探测的问题,此外,花青素和辅酶Q10的引入,增加了待测二氧化硫分子与半导体分子的电荷交换,实现有机场效应晶体管二氧化硫传感器对二氧化硫精确监测。
Description
技术领域
本发明属于二氧化硫传感器领域,涉及一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器及其制备方法。
背景技术
二氧化硫是造成大气污染的重要污染物,浓度在达到0.5ppm时即可对人体造成潜在的影响,使呼吸道疾病发病率提高,其主要来源于汽车尾气的排放,化石燃料的燃烧。工业生产中,二氧化硫也起着十分重要的作用。因此,监控周围环境中二氧化硫的浓度对于人类的生活生产有着十分重要的意义。
二氧化硫传感器的种类繁多,主要包括光谱型二氧化硫传感器、电解质离子型二氧化硫传感器和重量型二氧化硫传感器等。这些设备虽然都能够准确的检测出二氧化硫气体的浓度,但都或多或少存在设备昂贵,反应时间长,需要专业人员操作等各种问题。因此,找到一种新型的具有高灵敏度的二氧化硫传感器,成为近年来新型二氧化硫传感器研究领域的一个热点。
发明内容
本发明的目的在于:提供了一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器及其制备方法,解决了现有二氧化硫传感器存在的敏感性低、特征参数少、集成度低的问题。
本发明采用的技术方案如下:
一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器,包括从下到上依次设置的衬底、栅电极、栅极绝缘层和有机半导体层,所述有机半导体层上设置有源电极和漏电极,所述有机半导体层为可溶性的有机半导体材料,在有机半导体层加入质量分数为5%~10%的花青素以及12%~17%的辅酶Q10。
进一步地,所述衬底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箔制成。
进一步地,所述栅极绝缘层无机绝缘材料或有机聚合物绝缘材料制备而成,所述无机绝缘材料为二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、二氧化钛的一种或多种,所述有机聚合物绝缘材料为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯的一种或多种,所述栅极绝缘层厚度为20~520nm。
进一步地,所述有机半导体层为聚3-己基噻吩、Tips-并五苯的一种或多种可溶性有机半导体材料,厚度为25~400nm。
进一步地,所述栅电极、源电极和漏电极均为金、银、铜的一种或多种,厚度为10~100nm。
进一步地,所述栅电极、源电极和漏电极均为氧化铟锡、氧化锌透明导电薄膜的一种或多种,厚度为10~100nm。
一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器的制备方法,包括以下步骤:
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗,清洗后干燥;
S2:在衬底的表面制备栅电极,形成栅电极的图形;
S3:在镀有栅电极的基板的上制备栅极绝缘层;
S4:将花青素和辅酶Q10与有机半导体溶液进行的混溶,在已形成栅电极,以及己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层,70℃热退火20分钟;
S5:在有机半导体层上制备源电极和漏电级;;
S6:将步骤S5制得后的有机场效应晶体管进行封装。
进一步地,所述栅电极、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、打印或旋涂中的任意一种方法制备。
进一步地,所述栅极绝缘层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的任意一种方法制备。
进一步地,所述有机半导体层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷或气喷中的任意一种方法制备。
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、本发明利用花青素和辅酶Q10的抗氧化性,增强了器件在空气中的稳定性,使得二氧化硫传感器免受空气中的水氧成分对晶体管器件的侵蚀,寿命更长;
2、酚羟基、不饱和双键、还原性杂原子等存在于花青素和辅酶Q10的基团,在半导体薄膜中除了起到和二氧化硫气体分子结合的作用,互相之间还会产生协同作用,从而使组合后的还原性更强,更加易于吸收二氧化硫气体分子,从而增加半导体器件对二氧化硫的敏感性,使得此传感器对100ppb的二氧化硫产生响应;
3、花青素和辅酶Q10的引入,有效的改变了有机半导体层薄膜的形貌,在薄膜中产生了明显的相分离,增加了待测二氧化硫分子与半导体分子的电荷交换,实现有机场效应晶体管二氧化硫传感器对二氧化硫精确监测;
4、花青素和辅酶Q10来源广泛、环境友好,且成本低廉,制备工艺简单,易于工业化大规模生产。
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,其中:
图1是本发明的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器的结构示意图;
图中标记:1-衬底,2-栅电极,3-栅极绝缘层,4-有机半导体层,5-源电极,6-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,以下结合附图及实施例,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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图1所示,本发明提供的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器,包括从下到上依次设置的衬底1、栅电极2、栅极绝缘层3和有机半导体层4,所述有机半导体层4上设置有源电极5和漏电极6,所述有机半导体层4为可溶性的有机半导体材料,在有机半导体层4加入质量分数为5%~10%的花青素以及12%~17%的辅酶Q10。
优选地,所述衬底1由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箔制成。实施时,有一定的防水汽和氧气渗透的能力,有较好的表面平整度。
优选地,所述栅极绝缘层3无机绝缘材料或有机聚合物绝缘材料制备而成,所述无机绝缘材料为二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、二氧化钛的一种或多种,所述有机聚合物绝缘材料为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯的一种或多种,所述栅极绝缘层厚度为20~520nm。需要说明的是,无机绝缘材料不局限于二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、二氧化钛,还可以为氟化锂、二氧化铪、五氧化二坦。需要说明的是,有机聚合物绝缘材料不局限于聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯,还可以为聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙基丙烯酸酯、聚四氟乙烯等。
优选地,所述有机半导体层4为聚3-己基噻吩、Tips-并五苯的一种或多种可溶性有机半导体材料,厚度为25~400nm。实施时,有机半导体层4不局限于聚3-己基噻吩、Tips-并五苯,例如可以为并四苯、并五苯,及其具有取代基的衍生物、6,13-二三异丙酯硅基乙炔并五苯、低聚噻吩,其包含连接在噻吩环的第2及5位置的四至八个噻吩、茈四甲酸二酐、萘四甲酸二酐、酞菁铜、酞菁锌、酞菁钴、金属化酞菁及其卤代衍生物fluorinated copperphthalocyanine、酞菁铜、亚噻吩基和1,2-亚乙烯基的低共聚物和共聚物、富勒烯C60及其衍生物、苝Perylene及其衍生物、Alpha-六噻吩、红荧烯、聚噻吩Polythiophene或聚3-己基拿吩poly等。
优选地,所述栅电极2、源电极5和漏电极6均为金、银、铜的一种或多种,厚度为10~100nm。实施时,栅电极2、源电极5和漏电极6不局限于金、银、铜,例如还可以采用镁、铝、钙、钡、镍等金属及其合金材料。
优选地,所述栅电极2、源电极5和漏电极6均为氧化铟锡、氧化锌透明导电薄膜的一种或多种,厚度为10~100nm。实施时,栅电极2、源电极5和漏电极6不局限于氧化铟锡、氧化锌透明导电薄膜,可以采用导电复合材料,如金胶、银胶、碳胶等。
实施例1
制备方法如下:
S1:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底进行彻底的清洗,清洗后用干燥氮气吹干;
S2:采用旋涂法在ITO上制备PS薄膜形成栅极绝缘层100nm;
S3:对旋涂好的PS薄膜经行加热烘烤;
S4:在栅极绝缘层上旋涂质量分数比为78%:5%:17%的P3HT、花青素和辅酶Q10的有机半导体层100nm;
S5:采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极100nm。
对器件的二氧化硫响应特性进行测试,室温下对二氧化硫响应好。
实施例2
制备方法如下:
S1:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗,清洗后用干燥氮气吹干;
S2:采用旋涂法在ITO上制备PMMA薄膜形成栅极绝缘层520nm;
S3:对旋涂好的PMMA薄膜经行加热烘烤;
S4:在栅极绝缘层上旋涂质量分数比为73%:10%:17%的Tips-pentacene、花青素和辅酶Q10的有机半导体层150nm;
S5:采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极10nm。
对器件的二氧化硫响应特性进行测试,室温下对二氧化硫响应差。
实施例3
制备方法如下:
S1:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底1进行彻底的清洗,清洗后用干燥氮气吹干;
S2:采用旋涂法在ITO上制备PVA薄膜形成栅极绝缘层20nm;
S3:对旋涂好的PVA薄膜经行加热烘烤;
S4:在栅极绝缘层上旋涂质量分数比为80%:8%:12%的Tips-pentacene、花青素和辅酶Q10的有机半导体层200nm;
S5:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极40nm。
对器件的二氧化硫响应特性进行测试,室温下对二氧化硫响应好。
实施例4
制备方法如下:
S1:对硅为栅电极的衬底进行彻底的清洗,清洗后用干燥氮气吹干;
S2:采用热氧化或者气相沉积的方法生成一层20nmSiO2作为栅极绝缘层;
S3:在栅极绝缘层上旋涂质量分数比为75%:10%:15%的Tips-pentacene、花青素和辅酶Q10的有机半导体层25nm;
S4:采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。
对器件的二氧化硫响应特性进行测试,室温下对二氧化硫响应最好。
实施例5
其制备方法如下:
S1:对硅为栅电极的衬底进行彻底的清洗,清洗后用干燥氮气吹干;
S2:采用旋涂法在ITO上制备300nm聚乙烯吡咯烷酮薄膜形成栅极绝缘层;
S3:对旋涂好的聚乙烯吡咯烷酮薄膜经行加热烘烤;
S4:在栅极绝缘层上旋涂质量分数比为82%:6%:12%的P3HT、花青素和辅酶Q10的有机半导体层300nm;
S5:采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极70nm。
对器件的二氧化硫响应特性进行测试,室温下对二氧化硫响应中等。
实施例6:对照组
制备方法如下:
S1:对溅射好栅电极ITO的玻璃衬底进行彻底的清洗,清洗后用干燥氮气吹干;
S2:采用反应磁控溅射在ITO上制备50nm三氧化二铝薄膜形成栅极绝缘层;
S3:栅极绝缘层上旋涂制备质量分数比为75%:8%:17%的Tips-pentacene、花青素和辅酶Q10的有机半导体层350nm;
S4:采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极80nm。
对器件的二氧化硫响应特性进行测试,室温下对二氧化硫响应好。
表1:实施例1-6器件性能参数表
实施例 | 室温下对二氧化硫的响应 |
实施例1 | 好 |
实施例2 | 差 |
实施例3 | 好 |
实施例4 | 最好 |
实施例5 | 中等 |
实施例6 | 好 |
由表1可知,栅极绝缘层上旋涂制备质量分数比为75%:10%:15%的Tips-pentacene、花青素和辅酶Q10的有机半导体层25nm,对室温下对二氧化硫的响应进行测试,室温下对二氧化硫的响应最好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明的保护范围,任何熟悉本领域的技术人员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 (10)
1.一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器,包括从下到上依次设置的衬底、栅电极、栅极绝缘层和有机半导体层,所述有机半导体层上设置有源电极和漏电极,其特征在于,所述有机半导体层为可溶性的有机半导体材料,在有机半导体层加入质量分数为5%~10%的花青素以及12%~17%的辅酶Q10。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器,其特征在于,所述衬底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金属箔制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器,其特征在于,所述栅极绝缘层无机绝缘材料或有机聚合物绝缘材料制备而成,所述无机绝缘材料为二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、二氧化钛的一种或多种,所述有机聚合物绝缘材料为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯的一种或多种,所述栅极绝缘层厚度为20~520nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器,其特征在于,所述有机半导体层为聚3-己基噻吩、Tips-并五苯的一种或多种可溶性有机半导体材料,厚度为25~400nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器,其特征在于,所述栅电极、源电极和漏电极均为金、银、铜的一种或多种,厚度为10~100nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器,其特征在于,所述栅电极、源电极和漏电极均为氧化铟锡、氧化锌透明导电薄膜的一种或多种,厚度为10~100nm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行彻底的清洗,清洗后干燥;
S2:在衬底的表面制备栅电极,形成栅电极的图形;
S3:在镀有栅电极的基板的上制备栅极绝缘层;
S4:将花青素和辅酶Q10与有机半导体溶液进行的混溶,在已形成栅电极,以及己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层,70℃热退火20分钟;
S5:在有机半导体层上制备源电极和漏电级;;
S6:将步骤S5制得后的有机场效应晶体管进行封装。
8.根据权利要求7所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器的制备方法,其特征在于,所述栅电极、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、打印或旋涂中的任意一种方法制备。
9.根据权利要求7所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器的制备方法,其特征在于,所述栅极绝缘层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂或者真空蒸镀中的任意一种方法制备。
10.根据权利要求7所述的一种基于有机场效应晶体管的二氧化硫传感器的制备方法,其特征在于,所述有机半导体层是通过等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、辊涂、滴膜、压印、印刷或气喷中的任意一种方法制备。
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