二氧化氮氣體傳感器及其制備和測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種室溫工作的二氧化氮氣體傳感器及其 制備方法和測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自20世紀(jì)末人類進入信息社會以來，人們的一切活動都是以信息獲取與信息交 換為中心，作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)與三大支柱之一的傳感器技術(shù)也進入高速發(fā)展的新時期。
[0003] 由于OTFT氣體傳感器的敏感層，同時也是FET器件的有源層，所以敏感層薄膜的 性能至關(guān)重要。敏感層的選擇既要滿足FET晶體管的特殊要求如載流子迀移率高，本征電 導(dǎo)低等特點，同時，還要能對待測氣體敏感。這就對敏感材料提出了很高的要求，而有機材 料與無機材料的復(fù)合材料是一種先進材料，該復(fù)合材料是結(jié)合二者的優(yōu)點提高OTFT氣體 傳感器性能。例如：無機金屬氧化物半導(dǎo)體的載流子迀移率普遍要比有機半導(dǎo)體聚合物高 的多，希望二者結(jié)合會提高FET器件的載流子迀移率。但是目前多數(shù)的報道表明在有機半 導(dǎo)體中摻入半導(dǎo)體氧化物會惡化有機半導(dǎo)體聚合物的性能。因此，采用某種方法克服這個 缺點制備出有機-無機復(fù)合材料，應(yīng)用到FET器件上會使其性能有大大提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種室溫工作的二氧化氮 氣體傳感器及其制備和測試方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種二氧化氮氣體傳感器，其結(jié)構(gòu) 為有機薄膜場效應(yīng)晶體管，包括柵電極、襯底，氧化柵層、源電極和漏電極、有源層，其中襯 底為硅襯底，氧化柵層為二氧化硅，源電極、柵電極和漏電極為金電極，有源層為ZnO納米 棒和P3HT聚合物復(fù)合形成的復(fù)合材料薄膜。
[0006] 作為優(yōu)選方式，所述ZnO納米棒的直徑為100nm-250nm。
[0007] 作為優(yōu)選方式，ZnO納米棒的長度為0. 5 μ m-4 μ m。
[0008] 作為優(yōu)選方式，在有源層中，P3HT聚合物和ZnO納米棒的質(zhì)量比為6:1-6:6。
[0009] 作為優(yōu)選方式，在有源層中，P3HT聚合物和ZnO納米棒的質(zhì)量比為6:2。
[0010] 作為優(yōu)選方式，所述傳感器為底柵底接觸的有機薄膜場效應(yīng)晶體管氣體傳感器。
[0011] 作為優(yōu)選方式，有源層薄膜的厚度為60nm-180nm。
[0012] 本發(fā)明還提供一種上述二氧化氮氣體傳感器的制備方法，包括如下步驟：
[0013] ①采用低溫水熱法制備ZnO納米棒；
[0014] ②采用噴涂成膜的方法將P3HT-Zn0復(fù)合材料沉積在源電極漏電極，其中ZnO納米 棒與P3HT聚合物接觸，形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0015] 形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)由于滿足η型半導(dǎo)體功函數(shù)小于p型半導(dǎo)體功函數(shù)（φη< φΡ)，在 異質(zhì)結(jié)接觸的兩邊會形成一個多子的積累區(qū)，能夠有效改善OTFT器件的性能；
[0016] 對比其他金屬納米氧化物棒狀結(jié)構(gòu)，在增加迀移率的幅度上，ZnO具有最好的效 果，本發(fā)明中氧化鋅納米棒的加入增加了 OTFT器件的迀移率，增加幅度為I. 23倍，而氧化 鈦的增加幅度僅為0. 8倍左右。
[0017] 二氧化氮分子吸附在敏感薄膜，并向薄膜內(nèi)部擴散，但氣體分子接觸到異質(zhì)結(jié)界 面處，對載流子分布產(chǎn)生影響，從而影響氣體傳感器的性能。
[0018] 進一步的，本發(fā)明還提供一種上述二氧化氮氣體傳感器的制備方法，包括如下步 驟：
[0019] ①將十六烷基三甲基溴化銨溶于0. 25mol/L氫氧化鈉去離子水中攪拌形成溶液， 其中十六烷基三甲基溴化銨與氫氧化鈉的質(zhì)量比為〇. 04 :1，
[0020] ②配置0. 2mol/L六水合硝酸鋅的去離子水溶液，并與步驟①的溶液等體積混合， 磁力攪拌1-2小時后，倒入反應(yīng)釜中于85°C -90°C下反應(yīng)12-15h，將所得的溶液過濾，并用 乙醇清洗至少三次，在60-90°C下干燥，得到氧化鋅納米棒粉末；
[0021] ③將ZnO納米棒粉末加入到3mg/ml的P3HT氯仿溶液中，超聲振蕩，將溶液通過氣 噴的方式淀積到有機薄膜場效應(yīng)晶體管的源電極和漏電極上，作為器件的有源層，然后在 真空干燥箱內(nèi)干燥12-15h。
[0022] 此外，本發(fā)明還提供一種上述二氧化氮氣體傳感器的測試方法，將所述二氧化氮 氣體傳感器置于測試腔中，采用干燥空氣作為載氣和稀釋氣體，并用配氣系統(tǒng)調(diào)節(jié)待測氣 體的濃度，用半導(dǎo)體性能分析儀采集相應(yīng)的電流信號，傳感器的測試溫度為室溫。
[0023] 測試溫度為室溫，二氧化氮更容易在界面處吸附，而載流子分布最容易變化就是 在界面處，所以提高了對氣體的響應(yīng)。
[0024] 如上所述，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提供了一種異質(zhì)結(jié)二氧化氮氣體傳 感器及其制備方法和測試方法，該傳感器采用ZnO納米棒和P3HT復(fù)合材料作為OTFT傳感 器的有源層和氣體傳感器的敏感層，有效地提高了 OTFT器件的迀移率和氣體傳感器對待 測氣體的響應(yīng)。該氣體傳感器薄膜成膜工藝簡單，生產(chǎn)成本低，且利于FET器件的電學(xué)性能 提高（迀移率的提高），同時，通過形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)對待測氣體分子吸附在異質(zhì)結(jié)界面處 會對界面處的勢皇產(chǎn)生變化來有效地提高氣體傳感器的響應(yīng)；具有本發(fā)明提供的由ZnO和 P3HT復(fù)合材料組成的敏感薄膜結(jié)構(gòu)的OTFT傳感器對N02氣體的氣敏響應(yīng)和具有傳統(tǒng)的薄 膜結(jié)構(gòu)的傳感器相比有較大的提高；本發(fā)明提供的OTFT氣體傳感器的敏感薄膜材料為有 機-無機復(fù)合材料，在對提高OTFT器件電學(xué)性能和對有毒有害氣體檢測中有非常廣闊的應(yīng) 用前景。
【附圖說明】
[0025] 圖1是現(xiàn)有的基于P3HT有源層的底柵底接觸的OTFT氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明的ZnO納米棒-P3HT復(fù)合材料的OTFT二氧化氮氣體傳感器示意圖。
[0027] 圖3是制備的ZnO納米棒的XRD圖。
[0028] 圖4是制備的ZnO納米棒的SEM圖。
[0029] 圖5是本發(fā)明的ZnO納米棒-P3HT復(fù)合材料OTFT的閾值電壓和迀移率與傳統(tǒng)OTFT 性能對比圖。
[0030] 圖6是具有本發(fā)明提供的敏感薄膜和圖1所示的P3HT薄膜的氣體傳感器對20 ppm N02氣體氣敏響應(yīng)對比圖。
[0031] 圖7是本發(fā)明的ZnO納米棒-P3HT復(fù)合材料接觸處的能帶分布圖。
[0032] 圖中：1為柵電極，2為襯底，3為氧化柵層，4為源電極，5為漏電極，6為有源層。
【具體實施方式】
[0033] 以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實 施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0034] 如圖所示，圖3的XRD圖說明本方案最終制備得到的確實為ZnO材料，因為XRD各 個峰位與標(biāo)準(zhǔn)的ZnO -致；圖4可以看出ZnO納米棒明顯的棒狀結(jié)構(gòu)；圖5是本發(fā)明的ZnO 納米棒-P3HT復(fù)合材料OTFT的閾值電壓和迀移率與傳統(tǒng)OTFT性能對比圖，圖5說明氧化鋅 納米棒的加入，對OTFT器件的電學(xué)性能有很大的提高，尤其是迀移率，大約提高了 1. 23倍； 圖6是具有本發(fā)明提供的敏感薄膜和圖1所示的P3HT薄膜的氣體傳感器對20 ppm勵2氣 體氣敏響應(yīng)對比圖，圖6說明氧化鋅納米棒的加入提高了傳感器的響應(yīng)，且P3HT聚合物和 ZnO納米棒的質(zhì)量比為