有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] -種有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器及其制備方法，用于精確控制有機(jī)材料內(nèi)晶粒 的大小，實(shí)現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的室溫探測(cè)，屬于電子元器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 場(chǎng)效應(yīng)晶體管是光電子和電子技術(shù)領(lǐng)域的前沿研宄方向之一，由于其能在小電 流、低電壓的條件下工作，因此在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng) 晶體管（Organic field-effect transistor，簡(jiǎn)稱OFET)已經(jīng)在諸多方面顯著改進(jìn)了以無 機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管為主的電子信息領(lǐng)域現(xiàn)狀。近年來，基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶 體管的氣體傳感器，由于其具有多參數(shù)響應(yīng)和參數(shù)放大的特性而得到了人們的廣泛關(guān)注。 基于有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的氣體傳感器具有以下優(yōu)勢(shì)：
[0003]①有機(jī)材料的成膜技術(shù)更多更新，使得器件的尺寸能夠更小便于集成化生產(chǎn)，有 機(jī)材料比較容易獲得，且價(jià)格相對(duì)便宜，制備工藝也更為簡(jiǎn)單，制備條件更加溫和，能夠有 效地降低器件成本；
[0004]②有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有良好的柔韌性，質(zhì)量輕，便于攜帶。在適當(dāng)范圍內(nèi)對(duì)柔性 0FET進(jìn)行反復(fù)彎折或扭曲，不會(huì)顯著影響其電學(xué)性能；
[0005]③有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的多個(gè)參數(shù)可以用于0FET傳感器的指示參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù) 的調(diào)控模式，使基于0FET的傳感器具有更好的響應(yīng)特性；
[0006]④有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有參數(shù)放大的特點(diǎn)，使基于0FET的氣體傳感器更加敏感。
[0007]為了提高基于0FET氣體傳感器的響應(yīng)度和回復(fù)性，通常要求在加熱環(huán)境下進(jìn)行 探測(cè)，而在室溫探測(cè)方面仍存在較大的局限。調(diào)整有機(jī)半導(dǎo)體層晶粒的大小可以顯著改善 器件的氣體探測(cè)性能，合理地選擇晶粒的大小比例可以實(shí)現(xiàn)室溫下探測(cè)的目的，原因是合 適的大晶粒比例可以保證0FET的高性能，小晶粒的引入可以顯著提高0FET傳感器的響應(yīng) 度。目前，控制有機(jī)半導(dǎo)體材料晶粒大小的主要方法是控制成膜速度和采用后退火的工藝。 存在的主要問題是形成的晶粒大小難于精確控制，達(dá)不到0FET氣體傳感器的應(yīng)用要求；且 后退火工藝耗時(shí)耗力，對(duì)器件中其他功能層的耐熱能力要求苛刻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處提供了一種有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器及其 制備方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中不能精確控制有機(jī)材料內(nèi)晶粒的大小、不能實(shí)現(xiàn)0FET氣體傳感 器的室溫探測(cè)的問題。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0010] 一種有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)包括從下到上依次設(shè)置的襯底、柵電 極、柵極絕緣層、有機(jī)半導(dǎo)體層，在有機(jī)半導(dǎo)體層上設(shè)置的源電極和漏電極，其特征在于：所 述有機(jī)半導(dǎo)體層為可溶性的，在有機(jī)半導(dǎo)體層加入5%~15%的蟲膠進(jìn)行混合。
[0011] 進(jìn)一步，所述柵極絕緣層為可溶性的，為聚苯乙烯（PS)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚乙烯醇（PVA)、聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚酰亞胺（PI)的一種或多種有機(jī)聚合物絕 緣材料或二氧化硅（Si02)、三氧化二鋁（A1203)、氧化鈦（Ti02)的一種或多種無機(jī)絕緣材料， 厚度為150~650nm。
[0012] 進(jìn)一步，所述有機(jī)半導(dǎo)體層為聚3-己基噻吩（P3HT)、Tips-并五苯 (Tips-pentacene)的一種或多種可溶性有機(jī)半導(dǎo)體材料，厚度為35~350nm。
[0013] 進(jìn)一步，所述柵電極、源電極和漏電極為金屬或者導(dǎo)電薄膜，源電極和漏電極厚度 為15~350nm，所述金屬為金、銀、銅的一種或多種，所述導(dǎo)電薄膜為氧化銦錫和氧化鋅透 明的一種或多種。
[0014] -種有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0015] ①利用洗滌劑、丙酮溶液、去離子水和異丙醇溶液對(duì)帶透明柵電極ITO的襯底進(jìn) 行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈桑?br>[0016] ②在柵電極上面制備柵極絕緣層；
[0017] ③將同乙醇進(jìn)行1:10稀釋的蟲膠攪拌后，與可溶性有機(jī)半導(dǎo)體材料溶液進(jìn)行 5%~15%的混溶，在柵極絕緣層上面制備蟲膠-有機(jī)半導(dǎo)體層溶液，90°C進(jìn)行熱退火；
[0018] ④在有機(jī)半導(dǎo)體層上制備源電極和漏電極；
[0019] ⑤將步驟④制得后的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器在手套箱進(jìn)行封裝，手套箱為惰性氣體 氛圍。
[0020] 進(jìn)一步，所述步驟②中的蟲膠-柵極絕緣層、步驟③中的有機(jī)半導(dǎo)體層、步驟④中 的源電極和漏電極是通過真空蒸鍍、離子團(tuán)束沉積、離子鍍、直流濺射鍍膜、射頻濺射鍍膜、 離子束濺射鍍膜、離子束輔助沉積、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、高密度電感耦合式等離子體 源化學(xué)氣相沉積、觸媒式化學(xué)氣相沉積、磁控濺射、電鍍、旋涂、浸涂、噴墨打印、輥涂、LB膜 中的一種或者幾種方式形成。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0022] -、在有可溶性有機(jī)半導(dǎo)體層中加入蟲膠，可以通過調(diào)控蟲膠在可溶性柵極絕緣 層中所占比例對(duì)有機(jī)材料的晶?；蚨鄠€(gè)晶粒聚集而成的島狀結(jié)構(gòu)的大小進(jìn)行精確簡(jiǎn)便的 控制；
[0023] 二、在有可溶性有機(jī)半導(dǎo)體層中加入蟲膠，達(dá)到OFET室溫探測(cè)的目的，同時(shí)通過 調(diào)整晶粒大小的比例，起到提尚有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能的作用。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，從上到下依次為：1_源電極、2-漏電極、3-有機(jī) 半導(dǎo)體層、4-柵極絕緣層、5-柵電極、6-襯底；
[0025] 圖2是本發(fā)明采用P3HT:蟲膠為85:15的OFET常溫對(duì)二氧化氮的探測(cè)。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0027] 如圖1所示，器件結(jié)構(gòu)從下到上依次設(shè)置的襯底6、柵電極5、柵極絕緣層4、有機(jī)半 導(dǎo)體層3,在有機(jī)半導(dǎo)體層3上設(shè)置的源電極1和漏電極2。
[0028]所述可溶性柵極絕緣層為聚苯乙烯（PS)、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)、聚乙烯醇 (PVA)、聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚酰亞胺（PI)的一種或多種有機(jī)聚合物絕緣材料或二氧化 硅（Si02)、三氧化二鋁（A1203)、氧化鈦（Ti02)的一種或多種無機(jī)絕緣材料，厚度為150~ 650nm ;所述有機(jī)半導(dǎo)體層為聚3-己基噻吩（P3HT)、Tips-并五苯（Tips-pentacene)的一 種或多種可溶性有機(jī)半導(dǎo)體材料，厚度為35~350nm ;所述柵電極、源電極和漏電極為金屬 或者導(dǎo)電薄膜，其中源電極和漏電極厚度為15~350nm，所述金屬包括金、銀、銅的一種或 多種，所述導(dǎo)電薄膜為氧化銦錫、氧化鋅透明的一種或多種。
[0029] 蟲膠是一種天然樹脂，包括80~90%的樹脂，4~7%的紫膠色素，4~7%的紫膠 蠟和2~6%的水，具有獨(dú)特的優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、塑料、軍事、電氣、橡膠、 油墨、皮革、涂料、染料和粘合劑等行業(yè)。蟲膠無毒，目前在醫(yī)藥工業(yè)中主要用于藥丸藥片的 防潮糖衣、藥品密封、上光、腸溶藥包衣和近年發(fā)展起來的營養(yǎng)物與化妝品的膠囊等。紫膠 涂料同樣可用于食品工業(yè)的很多方面，可被人體吸收、可自然降解，例如糖果和糕點(diǎn)涂了紫 膠涂料之后，可變得甚為美觀、光亮，可以防潮、防結(jié)塊、防變質(zhì)和延長(zhǎng)貯存時(shí)間等。水果用 紫膠涂料涂膜后，能在一定時(shí)期內(nèi)抑制水分蒸發(fā)，保持新鮮，減少腐爛，改善外觀，產(chǎn)生提高 經(jīng)濟(jì)效益的效果。蟲膠產(chǎn)品具有較好的抗張強(qiáng)度、耐磨性、回彈性和硬度，具有理想的機(jī)械 性能。電學(xué)性能方面，蟲膠的介電強(qiáng)度高，且在受電弧支配后，無導(dǎo)電性，加上它有良好的粘 著性和熱塑性，在電器絕緣上有特殊的用途。另外，被水解的蟲膠形成的薄膜比天然蟲膠形 成的薄膜更柔軟，這與蟲膠中軟樹脂的增加有關(guān)。但水解蟲膠膜的水汽浸透性比用天然蟲 膠膜低一些，所以需要進(jìn)行一些處理來保證蟲膠的水氧阻隔能力。
[0030] 實(shí)施例1
[0031] 對(duì)由透明襯底及透明導(dǎo)電ITO所組成的基板進(jìn)行清洗，清洗后用氮?dú)獯蹈?；在?明導(dǎo)電陰極ITO表面旋轉(zhuǎn)涂覆150nm的PMMA柵極絕緣層，并將所形成的薄膜進(jìn)行烘干；在 柵極絕緣層上旋涂P3HT :蟲膠體積比為95:5的有