基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器及其製備方法
2023-12-06 12:08:21
基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，包括襯底、柵電極、混合絕緣層、有機半導體層、源電極和漏電極，所述柵電極設置與襯底之上，混合絕緣層與有機半導體層設置於柵電極之上，源電極和漏電極分別設置於有機半導體層之上；所述混合絕緣層由氧化鋅納米顆粒與聚合物絕緣材料組成。本發明通過將氧化鋅納米顆粒分散液與聚合物絕緣材料溶液按照一定比例混合這一簡單方法製備混合絕緣層，當具有上述混合絕緣層的有機場效應管置於目標氣體環境時，氣體除與有機半導體層反應之外，還將滲透到混合絕緣層表面與氧化鋅納米顆粒發生作用，影響有機場效應管導電溝道內的載流子傳輸以及閾值電壓，進而改變有機場效應管性能，從而達到提高氣體響應的目的。
【專利說明】基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於傳感器製備【技術領域】，特別涉及一種基於混合絕緣層的有機場效應管結構氣體傳感器及其製備方法。該氣體傳感器可以通過氣體與混合絕緣層相互作用引起的有機場效應管器件性能的變化，輔以合適的有機半導體層，即可實現多種氣體高靈敏、低成本和寬範圍的檢測。
【背景技術】
[0002]在人類的日常生產生活中，直接或間接的向大氣中釋放了很多有害氣體，如氨氣、二氧化氮、二氧化硫、甲醛、硫化氫等。這些有害氣體嚴重影響著人類的身體健康，高濃度的還會危及生命安全。
[0003]在過去的十幾年裡，科研工作者研發出了大量的基於金屬氧化物薄膜、光纖以及生物材料的氣體傳感器。從工作原理上講，目前市場上主流的氣體傳感器，多為電阻式傳感器，通過氣體分子在薄膜表面發生反應引起電導率的變化，宏觀上通過檢測電阻值的變化以實現對氣體濃度的檢測。而非電阻式主要是通過利用一些物理效應和器件特性來實現對氣體的檢測，比如電容(C-V)的改變、肖特基二極體的伏安特性和金屬-氧化物-半導體場效應管(MOSFET)閾值電壓變化等特性。在基於電晶體的傳感器中，門極電壓由於被測物質的影響會產生輕微的變化，由於電晶體本身的放大作用，就會獲得變化明顯的溝道電流，通過檢測溝道電流即可實現對待測物質的檢測，相較於較難監控的電阻更易於探測。
[0004]隨著有機電子學的飛速發展及其在傳感器領域的應用，以有機場效應管(organicthin-film transistor, 0TFT)為基礎構成的化學傳感器成為傳感器領域的一個研究熱點，將其應用於無機和有機揮發性氣體的檢測已有廣泛報導。與傳統的氣體傳感器相比，基於OTFT結構的氣體傳感器除了具有靈敏度高、可在常溫下使用等優點外，還具有幾個顯著優佔-
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[0005]I)利用電晶體基本特性將難以檢測的高電阻變化轉變為易檢測的電流變化；
[0006]2)可通過適當選擇器件的柵極工作電壓來調節傳感器的靈敏度；
[0007]3)多參數模式更有利用氣體的識別和分析；
[0008]4)通過對有機物分子的化學修飾可方便地調節傳感器的電性能，提高靈敏度；
[0009]5)有機物柔韌性好，可以彎曲，易於製成各種形狀；
[0010]6)易於集成，可製備大面積傳感器陣列，便於向集成化、微型化方向發展。
【發明內容】
[0011]本發明目的在於克服傳統的氣體傳感器的缺點，提供一種製備工藝簡單，生產成本低廉，可用於氣體檢測並且能夠多參數響應的一種基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器及其製備方法。
[0012]本發明的技術方案為:
[0013]基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，包括襯底、柵電極、混合絕緣層、有機半導體層、源電極和漏電極，所述柵電極設置與襯底之上，混合絕緣層與有機半導體層設置於柵電極之上，源電極和漏電極分別設置於有機半導體層之上；所述混合絕緣層由氧化鋅納米顆粒與聚合物絕緣材料組成。
[0014]氧化鋅納米顆粒均勻分散在聚合物絕緣材料中，所述氣體傳感器通過選擇不同的有機半導體層、聚合物絕緣材料與氧化鋅納米顆粒組合實現對不同氣體高選擇性高響應度檢測。
[0015]所述氣體傳感器至少可以檢測二氧化氮、氨氣、硫化氫、二氧化硫、甲醛中的一種。
[0016]進一步地，所述混合絕緣層中氧化鋅納米顆粒與聚合物絕緣材料重量比為1:1 _1:10。
[0017]進一步地，所述混合絕緣層厚度為500nm - 2000nm,所述氧化鋅納米顆粒直徑為5nm - 50nmo
[0018]進一步地，所述聚合物絕緣材料為聚苯乙烯、聚a -甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基矽氧烷、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚已內酯以及它們之間的共聚物中的一種。
[0019]進一步地,有機半導體層為並四苯、並五苯、6, 13 - 二三異丙酯娃基乙炔並五苯、酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鈷、紅熒烯、六噻吩、聚噻吩或富勒烯中的一種，所述有機半導體層厚度為2?lOOnm。
[0020]進一步地，柵電極、源電極和漏電極由金、銀、銅及其合金材料製成，源電極和漏電極的厚度為10?lOOnm。
[0021]進一步地,所述襯底由娃片、玻璃、聚合物薄膜或金屬箔製成。
[0022]基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器的製備方法，它包括以下步驟
[0023]①先對襯底進行徹底的清洗，清洗後乾燥；
[0024]②在襯底表面製備柵電極；
[0025]③在所述柵電極上面製備混合絕緣層並對絕緣層進行處理；
[0026]④在所述混合絕緣層上製備有機半導體層；
[0027]⑤在所述有機半導體層上製備源電極和漏電極。
[0028]進一步地，步驟③中，混合絕緣層通過旋塗、輥塗、滴膜、壓印、印刷或噴塗中的一種方法製備。
[0029]作進一步地，步驟②⑤中，柵電極、源電極、漏電極是通過真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強的化學氣相沉積、絲網印刷、列印或旋塗中的一種方法製備，所述步驟④中，所述有機半導體層是通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋塗、真空蒸鍍、輥塗、滴膜、壓印、印刷或噴塗中的一種方法製備。
[0030]與現有技術相比，本發明的優點在於:
[0031]一、通過將氧化鋅納米顆粒引入絕緣層/有機半導體層界面，利用氧化鋅極性面，改變絕緣層/有機半導體界面的極性，從而提高對氣體分子的吸附能力，達到調控絕緣層界面對氣體敏感特性的目的，實現有機場效應管氣體傳感器探測性能的提升；
[0032]二、相對與傳統基於氧化鋅的氣體傳感器，本發明可在室溫下工作，無需加熱源，降低了器件成本和能源消耗；
[0033]三、混合絕緣層由氧化鋅納米顆粒分散液與聚合物絕緣層溶液直接混合而成，在製備過程中，只需將聚合物絕緣層材料換成混合絕緣層材料即可，無其他附加處理過程，工藝簡單，易於實施，材料兼容性高；
[0034]四、氧化鋅納米顆粒均勻分散在聚合物絕緣層中，器件的功能薄膜厚度保持不變，工藝匹配性高；
[0035]五、氧化鋅納米顆粒以及所需聚合物絕緣材料來源廣泛，均已實現工業化生產，簡單結合有機層材料便可實現高響應度的多種氣體探測；同時氧化鋅具有很好的生物兼容性，採用混合絕緣層可以減少對環境的汙染，該優勢對於大量使用的傳感器尤為重要；
[0036]六、通過調整有機半導體層厚度以及種類即可實現高響應速度、高選擇性等技術指標，可以根據實際需求自由調配；
[0037]七、器件各部分均可採用溶液法低溫製備，且對襯底無特殊要求，降低了生產成本，更適宜大規模產業化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1是本發明的結構示意圖；
[0039]圖2是本發明兩種不同器件在不同氨氣氛圍下的響應曲線，器件A為氧化鋅納米顆粒/聚甲基丙烯酸甲酯混合絕緣層，器件B為聚甲基丙烯酸甲酯絕緣層；
[0040]圖中:1_襯底，2-柵電極，3-氧化鋅納米顆粒，4-聚合物絕緣材料，5-混合絕緣層，6-有機半導體層，7-源電極，8-漏電極。
【具體實施方式】
[0041]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0042]參照圖1，本發明的一種基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，包括襯底
1、柵電極2、由氧化鋅納米顆粒3和聚合物絕緣材料4組成的混合絕緣層5，所述柵電極設置與襯底之上，混合絕緣層與有機半導體層連接，混合絕緣層與有機半導體層設置於柵電極之上，源電極和漏電極分別設置於有機半導體層之上。在氧化鋅納米顆粒的作用下，最大程度上提高氣體響應度。
[0043]以下是本發明的具體實施例:
[0044]實施例1:
[0045]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0，厚度為120nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為lOOOnm，其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比10wt%，聚甲基丙烯酸甲酯溶液質量比為1wt %，氧化鋅納米顆粒分散液與聚甲基丙烯酸甲酯溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為並五苯，厚度為2nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚度為1nm,該結構可實現對氨氣的有效檢測。
[0046]製備方法如下:
[0047]①對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底I進行徹底的清洗，清洗後用乾燥氮氣吹乾；
[0048]②採用旋塗法在ITO上製備混合絕緣層5 ；
[0049]③採用真空蒸鍍法製備並五苯有機半導體層6 ；
[0050]④採用真空蒸鍍法製備源電極7和漏電極8。
[0051]實施例2:
[0052]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0，厚度為120nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為500nm，其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比0.5wt%，聚甲基丙烯酸甲酯溶液質量比為5wt%，氧化鋅納米顆粒分散液與聚甲基丙烯酸甲酯溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為並五苯，厚度為2nm,源電極5和漏電極6均為Ag,厚度為10nm,該結構可實現對氨氣的有效檢測。
[0053]製備方法如同實施例1.
[0054]實施例3:
[0055]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0，厚度為120nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為2000nm，其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比1wt %，聚甲基丙烯酸甲酯溶液質量比為5wt%，氧化鋅納米顆粒分散液與聚甲基丙烯酸甲酯溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為並五苯，厚度為10nm,源電極5和漏電極6均為Cu,厚度為10nm,該結構可實現對氨氣的有效檢測。
[0056]製備方法如同實施例1.
[0057]實施例4:
[0058]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0，厚度為120nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為500nm，其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比0.5wt%，聚甲基丙烯酸甲酯溶液質量比為5wt%，氧化鋅納米顆粒分散液與聚甲基丙烯酸甲酯溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為並五苯，厚度為2nm,源電極5和漏電極6均為Ag,厚度為10nm,該結構可實現對氨氣的有效檢測。
[0059]製備方法如同實施例1.
[0060]實施例5:
[0061]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0，厚度為120nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為500nm，其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比0.5wt%，聚甲基丙烯酸甲酯溶液質量比為5wt%，氧化鋅納米顆粒分散液與聚甲基丙烯酸甲酯溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為酞菁銅，厚度為2nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚度為10nm,該結構可實現對二氧化氮氣體的有效檢測。
[0062]製備方法如同實施例1.
[0063]實施例6:
[0064]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0，厚度為120nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為500nm，其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比0.5wt%，聚甲基丙烯酸甲酯溶液質量比為5wt%，氧化鋅納米顆粒分散液與聚甲基丙烯酸甲酯溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為六噻吩，厚度為2nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚度為10nm,該結構可實現對甲醒氣體的有效檢測。
[0065]製備方法如同實施例1.
[0066]實施例7:
[0067]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0，厚度為120nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為500nm，其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比0.5wt%，聚甲基丙烯酸甲酯溶液質量比為5wt%，氧化鋅納米顆粒分散液與聚甲基丙烯酸甲酯溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為六噻吩，厚度為2nm,源電極5和漏電極6均為Cu,厚度為10nm,該結構可實現對二氧化硫氣體的有效檢測。
[0068]製備方法如同實施例1.
[0069]實施例8:
[0070]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0，厚度為120nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為500nm，其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比1wt %，聚甲基丙烯酸甲酯溶液質量比為1wt %，氧化鋅納米顆粒分散液與聚甲基丙烯酸甲酯溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為酞菁銅，厚度為10nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚度為10nm,該結構可實現對二氧化氮氣體的有效檢測。
[0071]製備方法如同實施例1.
[0072]實施例9:
[0073]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0,厚度為120nm,混合絕緣層5為由聚乙烯醇與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為500nm,其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比10wt%,聚乙烯醇溶液質量比為10wt%,氧化鋅納米顆粒分散液與聚乙烯醇溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為6，13 - 二三異丙酯娃基乙炔並五苯,厚度為10nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚度為10nm,該結構可實現對硫化氫氣體的有效檢測。
[0074]製備方法如下:
[0075]①對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底I進行徹底的清洗，清洗後用乾燥氮氣吹乾；
[0076]②採用旋塗法在ITO上製備混合絕緣層5 ；
[0077]③採用噴塗法製備6,13 - 二三異丙酯娃基乙炔並五苯有機半導體層6 ；
[0078]④採用真空蒸鍍法製備源電極7和漏電極8。
[0079]實施例10:
[0080]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ΙΤ0,厚度為120nm,混合絕緣層5為由聚乙烯醇與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為2000nm,其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比1wt聚乙烯醇溶液質量比為10wt%,氧化鋅納米顆粒分散液與聚乙烯醇溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為6，13 - 二三異丙酯娃基乙炔並五苯，厚度為10nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚度為10nm,該結構可實現對硫化氫氣體的有效檢測。
[0081]製備方法同實施例7。
[0082]實施例11:
[0083]如圖1所示為底柵頂接觸式結構，各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為ITO,厚度為120nm,混合絕緣層5為由聚乙烯醇與氧化鋅納米顆粒混合而成，厚度為500nm,其中氧化鋅納米顆粒分散液質量比10wt%,聚乙烯醇溶液質量比為10wt%,氧化鋅納米顆粒分散液與聚乙烯醇溶液的混合比例為1:1。有機半導體材料為6，13 - 二三異丙酯娃基乙炔並五苯,厚度為10nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚度為10nm,該結構可實現對硫化氫氣體的有效檢測。
[0084]製備方法如下:
[0085]①對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底I進行徹底的清洗，清洗後用乾燥氮氣吹乾；
[0086]②採用旋塗法在ITO上製備混合絕緣層5 ；
[0087]③採用旋塗法製備6,13 - 二三異丙酯娃基乙炔並五苯有機半導體層6 ；
[0088]④採用真空蒸鍍法製備源電極7和漏電極8。
[0089]本發明實施例為較佳實施方式，但其具體實施並不限於此，本領域的普通技術人員極易根據上述實施例，領會本發明的精神，並做出不同的引申和變化，只要不脫離本發明，都屬本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，其特徵在於，包括襯底、柵電極、混合絕緣層、有機半導體層、源電極和漏電極，所述柵電極設置與襯底之上，混合絕緣層與有機半導體層設置於柵電極之上，源電極和漏電極分別設置於有機半導體層之上；所述混合絕緣層由氧化鋅納米顆粒與聚合物絕緣材料組成。
2.根據權利要求1所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，其特徵在於，所述混合絕緣層中氧化鋅納米顆粒與聚合物絕緣材料重量比為1:1-1:10。
3.根據權利要求1所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，其特徵在於，所述混合絕緣層厚度為500nm - 2000nm,所述氧化鋅納米顆粒直徑為5nm - 50nm。
4.根據權利要求1所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，其特徵在於，所述聚合物絕緣材料為聚苯乙烯、聚a -甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基矽氧烷、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚已內酯以及它們之間的共聚物中的一種。
5.根據權利要求1所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，其特徵在於，有機半導體層為並四苯、並五苯、6，13 - 二三異丙酯矽基乙炔並五苯、酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鈷、紅熒烯、六噻吩、聚噻吩或富勒烯中的一種，所述有機半導體層厚度為2?lOOnm。
6.根據權利要求1所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，其特徵在於，柵電極、源電極和漏電極由金、銀或銅及其合金材料中的一種製成，源電極和漏電極的厚度為 10 ?lOOnm。
7.根據權利要求1所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器，其特徵在於，所述襯底由矽片、玻璃、聚合物薄膜或金屬箔製成。
8.根據權利要求1-7任一項所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: ①先對襯底進行徹底的清洗，清洗後乾燥； ②在襯底表面製備柵電極； ③在所述柵電極上面製備混合絕緣層並對絕緣層進行處理； ④在所述混合絕緣層上製備有機半導體層； ⑤在所述有機半導體層上製備源電極和漏電極。
9.根據權利要求7所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器的製備方法，其特徵在於，步驟③中，混合絕緣層通過旋塗、輥塗、滴膜、壓印、印刷或噴塗中的一種方法製備。
10.根據權利要求7所述的基於混合絕緣層的有機場效應管氣體傳感器的製備方法，其特徵在於，步驟②⑤中，柵電極、源電極、漏電極是通過真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強的化學氣相沉積、絲網印刷、列印或旋塗中的一種方法製備，步驟④中，所述有機半導體層是通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋塗、真空蒸鍍、輥塗、滴膜、壓印、印刷或噴塗中的一種方法製備。
【文檔編號】G01N27/414GK104132989SQ201410376580
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】於軍勝, 韓世蛟, 黃偉, 王煦 申請人:電子科技大學