一種有機場效應(yīng)管二氧化氮傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種有機場效應(yīng)管二氧化氮傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在人類的日常生產(chǎn)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]在過去的十幾年里，科研工作者研發(fā)出了大量的基于金屬氧化物薄膜、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(fā)生反應(yīng)引起電導(dǎo)率的變化，宏觀上通過檢測電阻值的變化以實現(xiàn)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(yīng)和器件特性來實現(xiàn)對氣體的檢測，比如電容(c-ν)的改變、肖特基二極管的伏安特性和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(M0SFET)閾值電壓變化等特性。在基于晶體管的傳感器中，柵極電壓由于被測物質(zhì)的影響會產(chǎn)生輕微的變化，由于晶體管本身的放大作用，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(xiàn)對待測物質(zhì)的檢測，相較于較難監(jiān)控的電阻更易于探測。
[0004]隨著有機電子學(xué)的飛速發(fā)展及其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，以有機場效應(yīng)管(organicthin-film transistor, 0TFT)為基礎(chǔ)構(gòu)成的化學(xué)傳感器成為傳感器領(lǐng)域的一個研究熱點，將其應(yīng)用于無機和有機揮發(fā)性氣體的檢測已有廣泛報道。與傳統(tǒng)的氣體傳感器相比，基于0TFT結(jié)構(gòu)的氣體傳感器除了具有靈敏度高、可在常溫下使用等優(yōu)點外，還具有幾個顯著優(yōu)點:
1)利用晶體管基本特性將難以檢測的高電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橐讬z測的電流變化；
2)可通過適當選擇器件的柵極工作電壓來調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度；
3)多參數(shù)模式更有利用氣體的識別和分析；
4)通過對有機物分子的化學(xué)修飾可方便地調(diào)節(jié)傳感器的電性能，提高靈敏度；
5)有機物柔韌性好，可以彎曲，易于制成各種形狀；
6)易于集成，可制備大面積傳感器陣列，便于向集成化、微型化方向發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于克服傳統(tǒng)的氣體傳感器的缺點，提供一種制備工藝簡單，生產(chǎn)成本低廉，可用于氣體檢測并且能夠多參數(shù)響應(yīng)的一種基于混合絕緣層的有機場效應(yīng)管氣體傳感器及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種有機場效應(yīng)管二氧化氮傳感器，從下到上以此為襯底、柵電極、絕緣層、氧化鋅納米顆粒、有機半導(dǎo)體層、雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子、源電極和漏電極，其特征在于，所述有機半導(dǎo)體層為非連續(xù)薄膜；所述絕緣層表面分散有氧化鋅納米顆粒；所述雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子沉積在有機半導(dǎo)體層間隙中并與氧化鋅納米顆粒接觸。
[0007]進一步地，所述有機半導(dǎo)體層由P型小分子有機半導(dǎo)體材料構(gòu)成，包括并四苯、并五苯、6，13 - 二三異丙酯娃基乙炔并五苯、紅焚稀或六噻吩中的一種，所述有機半導(dǎo)體層厚度為 20 nm- 30 nm。
[0008]進一步地，所述雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子為η型小分子或者高電子密度的p型小分子，所述η型小分子包括，C60、N，V - 二戊基_3，4，9，10-茈二甲酰亞胺，N，V -二苯基_3，4，9，10-茈二甲酰亞胺、N，f - 二辛基_3，4，9，10-茈二甲酰亞胺、N，N’-雙(2，5-二叔丁基苯基)-3，4，9，10-茈二甲酰亞胺、全氟酞菁銅、1，4，5，8-萘四甲酸酐，所述p型小分子包括酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鈷；
進一步地，所述絕緣層厚度為500 nm - 2000 nm，所述氧化鋅納米顆粒直徑為5 nm-10 nm。
[0009]進一步地，所述聚合物絕緣層的材料為聚苯乙烯、聚a -甲基苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮或聚已內(nèi)酯以及它們之間的共聚物中的一種。
[0010]進一步地，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制成，源電極和漏電極的厚度為50 ~ 100 nm。
[0011]進一步地，所述襯底為硅片、玻璃、聚合物薄膜、金屬箔、植物纖維、纖維蛋白凝膠、明膠、聚乳酸、病毒纖維素、聚乳酸-羥基乙酸共聚物中的一種或多種。
[0012]本發(fā)明還公開了一種有機場效應(yīng)管二氧化氮傳感器的制備方法，包括以下步驟:
①先對襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥；
②在襯底表面制備柵電極；
③在所述柵電極上面制備表面分散有氧化鋅納米顆粒的絕緣層；
④在所述絕緣層上制備非連續(xù)有機半導(dǎo)體層；
⑤在所述有機半導(dǎo)體層上制備源電極和漏電極。
[0013]進一步地，步驟③中，絕緣層通過旋涂、輥涂、滴膜、壓印、印刷或噴涂中的一種方法制備，氧化鋅納米顆粒采用快速旋涂、印刷或噴涂中的一種方法制備。
[0014]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(xué)氣相沉積、絲網(wǎng)印刷、打印或旋涂中的一種方法制備，所述步驟④中，所述有機半導(dǎo)體層是通過等離子體增強的化學(xué)氣相沉積、熱氧化、旋涂、真空蒸鍍、輥涂、滴膜、壓印、印刷或噴涂中的一種方法制備。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
一、通過將氧化鋅納米顆粒引入絕緣層表面，改變絕緣層表面的浸潤性，從而使后續(xù)生長的有機半導(dǎo)體層形成不連續(xù)的薄膜；
二、雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子沉積在不連續(xù)有機半導(dǎo)體層的縫隙中，由于其本身特性起到了空穴陷阱的作用，降低了器件的初始性能，當器件暴露在二氧化氮氣體中時，雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子的陷阱作用會極大地減弱甚至消失，從而使得器件性能大幅提升，進而獲得較高的響應(yīng)；
三、處于絕緣層表面的氧化鋅納米顆粒在吸附二氧化氮氣體以后，會對器件閾值電壓產(chǎn)生較大影響，從而使得器件閾值電壓跟二氧化氮氣體濃度成線性關(guān)系，進而實現(xiàn)整個器件的多參數(shù)檢測； 四、本發(fā)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，氧化鋅納米顆粒以及所需絕緣材料來源廣泛，均已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，該優(yōu)勢對于大量使用的傳感器尤為重要。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:1-1源電極、1-2漏電極，2-雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子，3-有機半導(dǎo)體層，4-氧化鋅納米顆粒5-絕緣層，6-柵電極，7-襯底。
[0017]圖2是本發(fā)明的原理示意圖；
圖3是實施例1，對于不同濃度的二氧化氮的響應(yīng)曲線。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0019]參照圖1，本發(fā)明的一種基于混合絕緣層的有機場效應(yīng)管氣體傳感器，包括襯底7、柵電極6、絕緣層5、氧化鋅納米顆粒4、有機半導(dǎo)體層3、雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子2、源電極和漏電極1，所述柵電極設(shè)置與襯底之上，絕緣層設(shè)置于柵電極之上，源電極和漏電極分別設(shè)置于有機半導(dǎo)體層之上；所述有機半導(dǎo)體層為非連續(xù)薄膜；所述絕緣層表面分散有氧化鋅納米顆粒；所述雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子沉積在有機半導(dǎo)體層間隙中并與氧化鋅納米顆粒接觸。
[0020]以下是本發(fā)明的具體實施例:
實施例1:
如圖1所示:襯底7為玻璃，柵電極6為ΙΤ0，厚度為50 nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙稀酸甲酯混合而成，厚度為500 nm，氧化鋅納米顆直徑為5 nm，有機半導(dǎo)體層材料為并五苯，厚度為20 nm，雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子為酞菁銅，源電極漏電極均為Au，厚度為50 nm。
[0021]制備方法如下:
①對濺射好柵電極Ι??的玻璃襯底7進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②采用旋涂法在ΙΤ0上制備混合絕緣層5;
③采用旋涂法在絕緣層表面制備氧化鋅納米顆粒；
④采用真空蒸鍍法制備并五苯有機半導(dǎo)體層和酞菁銅雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子；
④采用真空蒸鍍法制備源電極漏電極。
[0022]實施例2:
如圖1所示:襯底7為玻璃，柵電極6為ΙΤ0，厚度為100 nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯混合而成，厚度為2000 nm，氧化鋅納米顆直徑為10 nm，有機半導(dǎo)體層材料為并五苯，厚度為30 nm，雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子為酞菁銅，源電極漏電極均為Au，厚度為100 nm。
[0023]制備方法如同實施例1.實施例3:
如圖1所示:襯底7為玻璃，柵電極6為ΙΤ0，厚度為80 nm，混合絕緣層5為由聚甲基丙烯酸甲酯混合而成，厚度為1000 nm，氧化鋅納米顆直徑為8 nm，有機半導(dǎo)體層材料為并五苯，厚度為25 nm，雜質(zhì)有機半導(dǎo)體分子為