一种基于有机场效应管的甲醛传感器及其制备方法

摘要

本发明属于传感器技术领域，公开了一种基于有机场效应管的甲醛传感器及其制备方法，用于解决现有甲醛传感器存在的检测下限不高的问题。本发明的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，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，所述有机半导体层的上端连接有源电极和漏电极，所述有机半导体层是由靛蓝或靛蓝衍生物与硅藻泥混合制成，所述有机半导体层中硅藻泥的质量百分数为3％～20％。本发明解决现有甲醛传感器存在的检测下限高的问题以及现有甲醛传感器存在的柔韧性差、易对环境造成污染等问题。

权利要求

1.一种基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，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，所述有机半导体层的上端连接有源电极和漏电极，其特征在于：所述有机半导体层是由靛蓝或靛蓝衍生物与硅藻泥混合制成，所述有机半导体层中硅藻泥的质量百分数为3％～20％。

2.根据权利要求1所述的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，其特征在于，所述衬底的材料为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚对萘二甲酸乙二酯、虫胶、云母或硅藻泥中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，其特征在于，所述栅极绝缘层的材料为聚乙烯醇、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，所述栅极绝缘层的厚度为20～520nm。

4.根据权利要求1所述的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，其特征在于，所述有机半导体层的厚度为50～120nm。

5.根据权利要求1所述的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，其特征在于，所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、氧化锌、氧化钛、氧化铟锡或聚合物电极材料中的一种或多种；所述栅电极、源电极和漏电极厚度均为50～80nm。

6.根据权利要求5所述的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，其特征在于，所述金属单质纳米线为铁纳米线、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、钨纳米线或铂纳米线中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，其特征在于，所述聚合物电极材料为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或3,4-聚乙烯二氧噻吩中的一种。

8.一种基于有机场效应晶体管的甲醛传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：①先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液中的一种或多种对衬底进行清洗，清洗后干燥；

②在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；

③在栅电极表面上制备栅极绝缘层；

④将硅藻泥溶液同靛蓝或靛蓝衍生物溶液按照质量百分配比进行混溶，然后在己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层初成体，然后70℃热退火20分钟，制成有机半导体层；

⑤在有机半导体层上制备源电极和漏电级；

⑥将步骤⑤制得后的有机场效应晶体管进行封装。

9.根据权利要求8所述的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器的制备方法，其特征在于，步骤②和步骤⑤中，栅电极、源电极、漏电极均是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的一种方法制备。

10.根据权利要求8所述的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器的制备方法，其特征在于，步骤④中，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、压所、印刷或气喷中的一种方法制备。

说明书

一种基于有机场效应管的甲醛传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于有机场效应管的甲醛传感器及其制备方法。

背景技术

[0002] 甲醛是一种无色，有刺激气味的气体，对人眼、鼻等有刺激作用，同时又和人类的社会活动密切相关，随着现代化的发展，甲醛的准确测量在日常生活、气象学、医学以及工农业生产中有着越来越重要的地位。

[0003] 甲醛传感器的种类繁多，目前，国内外的研究热点主要集中在甲醛氧化物气体传感器、甲醛气体分子筛传感器、甲醛声表面波气体传感器、可视化荧光甲醛传感器及甲醛气体电子鼻等。然而，传统的甲醛传感器仍然存在这诸如探测下限不够、通常需要温度补偿、选择性不高、体积相对较大、易受到周围环境的干扰、误差相对较大、精度不足、检测参数单一、不易实现柔性、小型化、集成化、使用的无机半导体材料容易对环境造成二次污染等缺点。

发明内容

[0004] 本发明为了解决现有甲醛传感器存在的检测下限不高的问题，而提供一种基于有机场效应管的甲醛传感器及其制备方法，解决现有甲醛传感器存在的检测下限高的问题以及现有甲醛传感器存在的柔韧性差、易对环境造成污染等问题。

[0005] 为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

[0006] 一种基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，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，所述有机半导体层的上端连接有源电极和漏电极，其特征在于：所述有机半导体层是由靛蓝或靛蓝衍生物与硅藻泥混合制成，所述有机半导体层中硅藻泥的质量百分数为3％～20％。

[0007] 所述衬底的材料为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚对萘二甲酸乙二酯、虫胶、云母或硅藻泥中的一种。

[0008] 所述栅极绝缘层的材料为聚乙烯醇、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，所述栅极绝缘层的厚度为20～520nm。

[0009] 所述有机半导体层的厚度为50～120nm。

[0010] 所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、氧化锌、氧化钛、氧化铟锡或聚合物电极材料中的一种或多种，所述栅电极、源电极和漏电极厚度均为50～80nm。

[0011] 所述金属单质纳米线为铁纳米线、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、钨纳米线或铂纳米线中的一种或多种。

[0012] 所述聚合物电极材料为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或3,4-聚乙烯二氧噻吩中的一种。

[0013] 一种基于有机场效应晶体管的甲醛传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0014] ①先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液中的一种或多种对衬底进行清洗，清洗后干燥；

[0015] ②在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；

[0016] ③在栅电极表面上制备栅极绝缘层；

[0017] ④将硅藻泥溶液同靛蓝或靛蓝衍生物溶液按照质量百分配比进行混溶，然后在己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层初成体，然后70℃热退火20分钟，制成有机半导体层；

[0018] ⑤在有机半导体层上制备源电极和漏电级；

[0019] ⑥将步骤⑤制得后的有机场效应晶体管进行封装。

[0020] 所述步骤②和步骤⑤中，栅电极、源电极、漏电极均是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的一种方法制备。

[0021] 所述步骤④中，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、压所、印刷或气喷中的一种方法制备。

[0022] 本发明提供了一种基于有机场效应晶体管的甲醛传感器及其制备方法，将水溶性硅藻泥和靛蓝或靛蓝衍生物按照一定比例进行混合，利用水溶性硅藻泥独特的材料特性，对有机半导体层薄膜的形貌进行精确调控，利用硅藻泥较强的吸附甲醛的能力，和自身为分子多孔结构的特点，同时，通过调整混合比例来控制有机半导体中半导体材料晶粒的尺寸大小，使得有机半导体层将会趋向于形成具有更小晶粒的形貌。当晶粒更小时，意味着有机半导体薄膜中存在着更多的晶粒间隙，这将有利于甲醛分子更加快速地扩散到载流子沟道当中，从而增强甲醛传感器对甲醛分子的有效检测。

[0023] 同时，由于硅藻泥具有优良的吸水特性以及较强的柔韧性，因此，在有机半导体层中引入硅藻泥之后，会明显提升半有机导体层对水分子的吸附作用，可以显著降低探测下限，增大甲醛传感器的响应率，同时有效提升电子元器件的机械强度和柔韧性。

[0024] 综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0025] 1、在靛蓝或靛蓝衍生物半导体层中引入一定量的水溶性硅藻泥之后，本发明中的甲醛传感器的响应率显著提升，探测下限更低。

[0026] 2、在靛蓝或靛蓝衍生物半导体层中引入一定量的水溶性硅藻泥之后，本发明中的甲醛传感器将具有更快的响应速度，能实现气体的快速检测。

[0027] 3、与现有甲醛传感器相比，本发明中的传感器使用的有机半导体层材料对环境友好，基于有机场效应晶体管的传感器可完全降解，有效解决电子垃圾造成的二次污染问题。

[0028] 4、靛蓝、靛蓝衍生物和水溶性硅藻泥都属于自然界中的常见材料，来源广泛、成本低廉，制备工艺简单，易于实现工业化大规模生产。

附图说明

[0029] 图1为本发明的基于有机场效应管的甲醛传感器的结构示意图；

[0030] 图2是为实施例5制备的甲醛传感器在不同甲醛条件下性能的变化曲线；可以看出器件在不同甲醛条件下，器件的性能参数(饱和电流，载流子迁移率，阈值电压)发生了较大的变化，起到了准确探测的效果；

[0031] 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

[0032] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。

[0033] 结合附图，本发明提供的基于有机场效应晶体管的甲醛传感器，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的上端连接有源电极5和漏电极6，所述有机半导体层4是由靛蓝或靛蓝衍生物与硅藻泥混合制成，所述有机半导体层中硅藻泥的质量百分数为3％～20％。

[0034] 所述衬底1采用柔性衬底，衬底的材料为聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚对萘二甲酸乙二酯(PEN)、虫胶、云母或硅藻泥中的一种；衬底需要具有一定的防水汽和氧气渗透的能力，同时还需要具有较好的表面平整度。

[0035] 所述栅极绝缘层3采用具有良好的介电性能的材料，栅极绝缘层3的材料为聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)的一种或多种，制备方法可以是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一种方法；所述栅极绝缘层3的厚度为20～520nm。

[0036] 机半导体层的制备方法可以是等离子体增强的化学气相沉积、热氧化、旋涂、真空蒸镀、滴膜、压印、印刷或气喷中的一种方法；有机半导体层4的厚度为50～120nm。

[0037] 所述栅电极、源电极和漏电极的材料均为石墨烯、碳纳米管、金属单质纳米线、氧化锌、氧化钛、氧化铟锡或聚合物电极材料中的一种或多种，制备方法可以是真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印、旋涂等各种沉积方法中的一种。所述栅电极、源电极和漏电极厚度均为50～80nm。

[0038] 所述金属单质纳米线为铁纳米线、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、钨纳米线或铂纳米线中的一种或多种。

[0039] 所述聚合物电极材料为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或3,4-聚乙烯二氧噻吩中的一种。

[0040] 一种基于有机场效应晶体管的甲醛传感器的制备方法，包括以下步骤：

[0041] ①先利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液中的一种或多种对衬底进行清洗，清洗后干燥；

[0042] ②在衬底的表面制备栅电极，形成栅电极的图形；

[0043] ③在栅电极表面上制备栅极绝缘层；

[0044] ④将硅藻泥溶液同靛蓝或靛蓝衍生物溶液按照质量百分配比进行混溶，然后在己覆盖栅极绝缘层的基板上制备有机半导体层初成体，然后70℃热退火20分钟，制成有机半导体层；

[0045] ⑤在有机半导体层上制备源电极和漏电级；

[0046] ⑥将步骤⑤制得后的有机场效应晶体管进行封装。

[0047] 所述步骤②和步骤⑤中，栅电极、源电极、漏电极均是通过真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、打印或旋涂中的一种方法制备。

[0048] 所述步骤④中，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、压所、印刷或气喷中的一种方法制备。

[0049] 本发明提供了一种基于有机场效应晶体管的甲醛传感器及其制备方法，将水溶性硅藻泥和靛蓝或靛蓝衍生物按照一定比例进行混合，利用水溶性硅藻泥独特的材料特性，对有机半导体层薄膜的形貌进行精确调控，利用硅藻泥较强的吸附甲醛的能力，和自身为分子多孔结构的特点，同时，通过调整混合比例来控制有机半导体中半导体材料晶粒的尺寸大小，使得有机半导体层将会趋向于形成具有更小晶粒的形貌。当晶粒更小时，意味着有机半导体薄膜中存在着更多的晶粒间隙，这将有利于甲醛分子更加快速地扩散到载流子沟道当中，从而增强甲醛传感器对甲醛分子的有效检测。

[0050] 同时，由于硅藻泥具有优良的吸水特性以及较强的柔韧性，因此，在有机半导体层中引入硅藻泥之后，会明显提升半有机导体层对水分子的吸附作用，可以显著降低探测下限，增大甲醛传感器的响应率，同时有效提升电子元器件的机械强度和柔韧性。

[0051] 实施例1

[0052] 制备方法如下：

[0053] ①对溅射好50nmITO作为栅电极的PI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

[0054] ②采用旋涂法在ITO上制备PS薄膜形成栅极绝缘层100nm；

[0055] ③对旋涂好的PS薄膜经行加热烘烤；

[0056] ④在栅极绝缘层上旋涂靛蓝:硅藻泥质量比为97:3的有机半导体层100nm；

[0057] ⑤采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极80nm。

[0058] 对器件的甲醛响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝6μA，载流子迁移率μ＝2×10-3cm2/Vs，阈值电压VTH＝-14V，室温下对甲醛响应好。

[0059] 实施例2

[0060] 制备方法如下：

[0061] ①对喷涂好80nm银纳米线作为栅电极的PEI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

[0062] ②采用旋涂法在银纳米线上制备PMMA薄膜形成栅极绝缘层520nm；

[0063] ③对旋涂好的PMMA薄膜经行加热烘烤；

[0064] ④在栅极绝缘层上旋涂靛蓝:硅藻泥质量比为94:6的有机半导体层120nm；

[0065] ⑥采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极70nm。

[0066] 对器件的甲醛响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝12μA，载流子迁移率μ＝0.004cm2/Vs，阈值电压VTH＝-16V，室温下对甲醛响应好。

[0067] 实施例3

[0068] 制备方法如下：

[0069] ①对溅射好70nmITO作为栅电极的虫胶衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

[0070] ②采用旋涂法在ITO上制备PVA薄膜形成栅极绝缘层20nm；

[0071] ③对旋涂好的PVA薄膜经行加热烘烤；

[0072] ④在栅极绝缘层上旋涂靛蓝:硅藻泥质量比为90:10的有机半导体层100nm；

[0073] ⑤采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极50nm。

[0074] 对器件的甲醛响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝0.5μA，载流子迁移率μ＝0.001cm2/Vs，阈值电压VTH＝-13V，室温下对甲醛响应好。

[0075] 实施例4

[0076] 制备方法如下：

[0077] ①对喷涂好60nm石墨烯作为栅电极的PI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

[0078] ②采用旋涂的方法生成一层20nm PS作为栅极绝缘层；

[0079] ③在栅极绝缘层上旋涂制备靛蓝:硅藻泥质量比为88:12的有机半导体层125nm；

[0080] ④采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极60nm。

[0081] 对器件的甲醛响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝1.5μA，载流子迁移率2
μ＝0.04cm/Vs，阈值电压VTH＝-18V，室温下对甲醛响应好。

[0082] 实施例5

[0083] 其制备方法如下：

[0084] ①对蒸镀好60nm金作为栅电极的衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

[0085] ②采用旋涂法在金上制备300nmPS薄膜形成栅极绝缘层；

[0086] ③对旋涂好的PS薄膜经行加热烘烤；

[0087] ④在栅极绝缘层上旋涂制备靛蓝:硅藻泥质量比为85:15的有机半导体层50nm；

[0088] ⑤采用真空蒸镀制备银源电极和漏电极70nm。

[0089] 对器件的甲醛响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝19μA，载流子迁移率μ＝0.01cm2/Vs阈值电压VTH＝-18V，室温下对甲醛响应很好。

[0090] 实施例6

[0091] 制备方法如下：

[0092] ①对溅射好50nmITO栅电极的PEI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

[0093] ②采用喷涂法在ITO上制备50nm PMMA薄膜形成栅极绝缘层；

[0094] ③栅极绝缘层上旋涂制备靛蓝:硅藻泥质量比为83:17的有机半导体层120nm；

[0095] ④采用真空蒸镀制备铜源电极和漏电极60nm。

[0096] 对器件的甲醛响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝11μA，载流子迁移率μ2
＝0.07cm/Vs，阈值电压VTH＝-17V，室温下对甲醛响应好。

[0097] 实施例7

[0098] 制备方法如下：

[0099] ①对溅射好60nmITO栅电极的PI衬底进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；

[0100] ②采用喷涂法在ITO上制备50nm PMMA薄膜形成栅极绝缘层；

[0101] ③栅极绝缘层上旋涂制备靛蓝:硅藻泥质量比为80:20的有机半导体层120nm；

[0102] ④采用真空蒸镀制备金源电极和漏电极80nm。

[0103] 对器件的甲醛响应特性进行测试，测得器件的饱和电流ISD＝10μA，载流子迁移率μ＝0.03cm2/Vs，阈值电压VTH＝-19V，室温下对甲醛响应好。