一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法，先對襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥；在襯底的表面制備柵電極，形成柵電極的圖形；在鍍有柵電極的基板的上制備介電層；對形成的介電層進行氧等離子轟擊；在已形成柵電極，以及己覆蓋經氧等離子轟擊的介電層的基板上制備有機半導體膜；然后制備源電極和漏電極，形成源電極，漏電極圖案。氣體的響應率顯著提升，探測濃度下限更低；相對單晶的晶體管，有機薄膜晶體管更加容易制備，成本更低；介電層表面經過氧等離子轟擊，基于界面修飾的有機薄膜晶體管將具有更快的響應速度，能實現氣體的快速檢測；介電層表面經過氧等離子轟擊，降低了生產成本，更適宜大規模產業化生產。
【專利說明】一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法【技術領域】
[0001]本發明涉及氣體傳感器領域，具體涉及一種基于介電層表面修飾的有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法。
【背景技術】
[0002]一氧化碳是一種無色、無臭、無刺激性的氣體。常見于家庭居室通風差的情況下， 由未完全燃燒的木炭產生；或是由于液化氣管道泄漏、工業生產煤氣以及煤炭開采中產生。 一氧化碳是一種易燃易爆氣體，與空氣的混合爆炸極限為129^75%。另外，吸入一氧化碳會導致其通過肺泡進入血液循環，與血液中的血紅蛋白結合，其親和力比氧氣與血紅蛋白的親和力大200多倍，因此當短時間內吸入過多一氧化碳時，會導致組織缺氧，產生中毒癥狀，嚴重時會導致神經系統的嚴重損害甚至死亡。
[0003]一氧化碳氣體傳感器的種類繁多，主要包括固體熱傳導式傳感器、定電位電解式傳感器、氣相色譜法傳感器和紅外分析傳感器等。當前，國內外的研究熱點主要是基于半導體的傳感器，一般通過氣體與無機氧化物薄膜的相互作用來改變器件的特性，從而實現對氣體的有效探測和對環境的監控。而基于有機半導體的有機薄膜晶體管(Organic Thin-Film Transistor, 0TFT)—氧化碳氣體傳感器,作為一種新型的一氧化碳氣體傳感器，與基于無機氧化物的一氧化碳氣體傳感器相比，除了具有材料來源廣泛、工藝簡單、使用壽命長和柔性襯底的可實現性等特點外，更具有選擇性高、響應快及可室溫工作等優點。 同時，OTFT —氧化碳氣體傳感器與市場化傳感器的較強選擇性、高靈敏度的要求相契合，成為近年來新型傳感器研究領域的一個熱點。
[0004]目前，與OTFT氣體傳感器的相關研究，集中在有機半導體薄膜的材料合成、新的器件結構設計以及電路減噪等方面，但是，針對介電層改性的研究依然缺乏。大量的科學研究發現，由于介電層的表面直接與導電溝道接觸，因此，其性質將直接影響基于有機薄膜晶體管氣體傳感器的性能。
【發明內容】
[0005]本發明為解決現有技術中存在的問題提供了一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法，目的是克服現有有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器存在 的敏感性低、響應速度慢的問題，通過對介電層表面的界面修飾，獲取具有高敏感性能、快速響應速度的一氧化碳氣體傳感器件。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步
驟:
①先對襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥；
②在襯底的表面制備柵電極，形成柵電極的圖形；
③在鍍有柵電極的基板的上制備介電層；④對形成的介電層進行氧等離子轟擊；
⑤在已形成柵電極，以及己覆蓋經氧等離子轟擊的介電層的基板上制備有機半導體
膜；
⑥然后制備源電極和漏電極，形成源電極，漏電極圖案。
[0007]作為優選，所述步驟④中，氧等離子轟擊功率范圍為2(Tl000 W，轟擊時間為f 120秒。
[0008]作為優選，所述步驟③中，介電層包括二氧化硅、三氧化二鋁、五氧化二鉭、氮化 硅、二氧化鈦、二氧化鉿、聚乙烯醇、聚酰亞胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲 酯或聚乙烯，介電層厚度為5?2000 nm。
[0009]作為優選，所述步驟①中，襯底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金屬箔制成。
[0010]作為優選，所述步驟⑤中，有機半導體層包括并四苯、并五苯、6，13-二三異丙酯硅 基乙炔并五苯、酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鈷、紅熒烯、六噻吩、聚噻吩或富勒烯，有機半導體層厚 度為2?100 nm。
[0011]作為優選，所述步驟⑥中，柵電極、源電極和漏電極由金屬及其合金材料、金屬氧 化物或導電復合材料制成，源電極和漏電極的厚度為1(T100 nm。
[0012]作為優選，所述步驟⑥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、打印或旋涂中的一種方法制備。
[0013]作為優選，所述步驟③中，介電層是通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、 旋涂或者真空蒸鍍中的一種方法制備
作為優選，所述步驟⑤中，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、旋涂、真空蒸鍍、輥涂、滴膜、壓印、印刷或氣噴中的一種方法制備。
[0014]本發明提供了一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法，經過修 飾的介電層表面將有更大的官能團密度、更具化學活性的載流子陷阱，而介電層表面正好 與載流子溝道相鄰，因此當氣體擴散到載流子溝道時，介電層的表面的性質改變將極大地 提升氣體與介電層的相互作用，進而能夠實現更多的氣體吸附，從而實現載流子在溝道中 傳輸條件的改變，以實現氣體的高靈敏度和快速響應功能。
[0015]另外，由于介電層的表面性質直接決定了在其上生長的有機半導體的形貌，而經 過氧等離子轟擊的介電層表面由于其表面能在處理過后起伏變得更加明顯和劇烈，因此在 其上生長的有機半導體層將會趨向于形成具有更小晶粒的形貌，當晶粒更小時，意味著在 有機半導體中存在著更多的晶粒間隙，這將有利于氣體更加快速地擴散到載流子溝道當 中，從而達到更好更快地檢測氣體的作用。
[0016]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
1、介電層表面經過氧等離子轟擊，氣體的響應率顯著提升，探測濃度下限更低；
2、介電層表面經過氧等離子轟擊，相對單晶的晶體管，有機薄膜晶體管更加容易制備， 成本更低；
3、介電層表面經過氧等離子轟擊，基于界面修飾的有機薄膜晶體管將具有更快的響應 速度，能實現氣體的快速檢測；
4、介電層表面經過氧等離子轟擊，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】
[0017]圖1為本發明底柵頂接觸式氣體傳感器結構示意圖；
圖2為本發明底柵底接觸式氣體傳感器結構示意圖；
圖3為本發明兩種不同器件在不同二氧化氮氛圍下的時間-源漏電流圖，器件A未經 介電層未經氧等離子轟擊，器件B為經介電層未經氧等離子轟擊；
圖中:1-襯底，2-柵電極，3-介電層，4-有機半導體層，5-源電極，6-漏電極。
【具體實施方式】
[0018]基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器，包括襯底、柵電極、介電層、有機半導 體、源電極和漏電極，所述介電層表面在形成其上的有機半導體層之前經過了氧等離子轟 擊。
[0019]襯底可采用剛性襯底或者柔性襯底，如硅片、玻璃、聚合物薄膜和金屬箔中的一 種，有一定的防水汽和氧氣滲透的能力，有較好的表面平整度。
[0020]柵電極、源電極和漏電極采用具有低電阻的材料構成，如金(Au)、銀(Ag)、鎂 (Mg)、鋁(Al)、銅(Cu)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鎳(Ni)等金屬及其合金材料，金屬氧化物，如氧化 銦錫(IT0)，氧化鋅錫(IZO)導電薄膜和導電復合材料，如金膠、銀膠、碳膠等，制備方法可 以是真空熱蒸鍍、磁控濺射、等離子體增強的化學氣相沉積、絲網印刷、打印、旋涂等各種沉 積方法。所述源電極和漏電極的厚度為1(T100 nm。
[0021]柵極介電層采用具有良好的介電性能的材料，無機絕緣材料如二氧化硅(Si02)、 氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(A1203)、氟化鋰(LiF)、二氧化鈦(Ti02)、二氧化鉿(Hf02)、五氧 化二坦(Ta205);有機絕緣材料如聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙基丙烯酸酯(PCA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚 酰亞胺(PD或聚乙烯(PE)等，制備方法可以是等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋 涂或者真空蒸鍍等。所述柵極介電層的厚度為5?2000 nm。
[0022]有機半導體探測層采用并四苯、并五苯，及其具有取代基的衍生物、6，13-二三 異丙酯硅基乙炔并五苯、低聚噻吩，其包含連接在噻吩環的第2及5位置的四至八個噻 吩、茈四甲酸二酐(PTCDA)、萘四甲酸二酐(NTCDA)、酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鈷、金屬化酞菁 及其齒代衍生物 fluorinated copper phthalocyanine (F16CuPc)、酞菁銅(CuPc)、亞 噻吩基和1，2-亞乙烯基的低共聚物和共聚物、富勒烯C60及其衍生物、茈Perylene及 其衍生物、Alpha-六噻吩、紅突烯(Rubrene)、聚噻吩Polythiophene或聚3_己基拿吩 poly (3-hexyithiophene)等,制備方法可以是等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋 涂、真空蒸鍍、滴膜、壓印、印刷或氣噴等。所述有機半導體探測層的厚度均為2?100 nm。
[0023]氧等離子轟擊的方式中，氧等離子轟擊功率范圍為2(Tl000 W，轟擊時間為f 120 秒。
[0024]氧等離子轟擊作為一種常見的等離子體技術常用語ITO基板的清洗。氧等離子轟 擊已經被證實對有機薄膜晶體管的介電層能達到很好的改性作用。經過氧等離子轟擊的介 電層表面能夠實現表面能改變、表面材料組分的重組或表面形貌優化的作用，因此，基于介 電層經氧等離子轟擊的有機薄膜晶體管傳感器相對于傳統的未經氧等離子轟擊的晶體管 傳感器將在靈敏度、選擇性、穩定性以及響應時間等方面有著巨大的提升空間。[0025]以下結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0026]實施例1
如圖1所示，為底柵頂接觸式結構。器件各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極 2為IT0，厚度為120 nm，柵極介電層3為PS，厚度為500 nm，其中介電層3在功率為20W的 氧等離子下轟擊20秒,有機半導體為并五苯,厚度為2 nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚 度為10 nm。
[0027]制備方法如下:
①對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底I進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②采用旋涂法在ITO上制備PS薄膜形成柵極介電層3；
③對旋涂好的PS薄膜經行加熱烘烤；
④對介電層3在功率為IW的氧等離子下轟擊20秒；
⑤采用真空蒸鍍制備并五苯有機半導體層4；
⑥采用真空蒸鍍制備源電極5和漏電極6。
[0028]實施例2
如圖1所示，傳感器各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為IT0，厚度為120 nm,柵極介電層3為PMMA，厚度為200 nm，其中介電層3在功率為1000W的氧等離子下轟擊 I秒，有機半導體探測層4為酞菁銅，厚度為10 nm,源電極5和漏電極6均為Au,厚度為50 nm。
[0029]制備方法如下:
①對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底I進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②采用旋涂法在ITO上制備PMMA薄膜形成柵極介電層3；
③對旋涂好的PMMA薄膜經行加熱烘烤；
④對介電層3在功率為1000W的氧等離子下轟擊I秒；
⑤采用真空蒸鍍制備酞菁銅有機半導體層4；
⑥采用真空蒸鍍制備源電極5和漏電極6。
[0030]實施例3
如圖1所示，傳感器各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為IT0，厚度為120 nm，柵極介電層3為PVA，厚度為2000 nm，其中介電層3在功率為80W的氧粒子下轟擊10 秒，有機半導體探測層4為六噻吩，厚度為25 nm，源電極5和漏電極6均為Au，厚度為50 nm。
[0031]制備方法如下:
①對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底I進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②采用旋涂法在ITO上制備PVA薄膜形成柵極介電層3；
③對旋涂好的PVA薄膜經行加熱烘烤；
④將介電層3放置在功率為20W的氧等離子下轟擊I秒；
⑤采用真空蒸鍍制備六噻吩有機半導體層4；
⑥采用真空蒸鍍制備源電極5和漏電極6。
[0032]實施例4
如圖2所示，傳感器各層的材料和厚度為:襯底I為硅片，柵電極2為硅，柵極介電層3為二氧化硅，厚度為5 nm，其中介電層3在功率為IOOW的氧等離子下轟擊60秒，源電極5 和漏電極6均為Au,厚度為50 nm,有機半導體探測層4為紅突烯，厚度為25 nm。
[0033]其制備方法如下:
①對硅為柵電極的襯底I進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②采用熱氧化或者氣相沉積的方法生成一層SiO2作為柵極介電層3；
③對介電層3在功率為100W的氧等離子下轟擊60秒；
④在SiO2表面通過真空蒸鍍或者濺射的方法制備源電極5和漏電極6；
⑤采用真空蒸鍍制備紅熒烯有機半導體層4。
[0034]實施例5
如圖2所示，傳感器各層的材料和厚度為:襯底I為硅片，柵電極2為硅，柵極介電層3 為聚乙烯吡咯烷酮，厚度為100 nm，其中介電層3在功率為20W的氧等離子下轟擊30秒，源 電極5和漏電極6均為Ag,厚度為50 nm,有機半導體探測層4為F16CuPc,厚度為25 nm。
[0035]其制備方法如下:
①對硅為柵電極的襯底I進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②采用旋涂法在ITO上制備聚乙烯吡咯烷酮薄膜形成柵極介電層3；
③對旋涂好的聚乙烯吡咯烷酮薄膜經行加熱烘烤；
③對介電層3在功率為20W的氧等離子下轟擊30秒；
④在聚乙烯吡咯烷酮表面通過真空蒸鍍或者濺射的方法制備源電極5和漏電極6；
⑤采用真空蒸鍍制備F16CuPc有機半導體層4。
[0036]實施例6
如圖1所示，傳感器各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為IT0，厚度為120 nm,柵極介電層3為三氧化二鋁，厚度為50 nm，其中介電層3在功率為1000W的氧等離子下 轟擊60秒,有機半導體探測層4為富勒烯，厚度為25 nm,源電極5和漏電極6均為Ag,厚 度為30 nm。
[0037]制備方法如下:
①對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底I進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②采用反應磁控濺射在ITO上制備三氧化二鋁薄膜形成柵極介電層3；
③將介電層3在功率為1000W的氧等離子下轟擊60秒；
④采用真空蒸鍍制備富勒烯有機半導體層4；
⑤采用真空蒸鍍制備源電極5和漏電極6。
[0038]實施例7
如圖2所示，傳感器各層的材料和厚度為:襯底I為玻璃，柵電極2為IT0，厚度為120 nm,柵極介電層3為氮化娃,厚度為20 nm,其中介電層3在功率為500W的氧等離子下轟擊 120秒，源電極5和漏電極6均為Cu，厚度為100 nm,有機半導體探測層4為并五苯，厚度為 100 nm。
[0039]制備方法如下:
①對濺射好柵電極ITO的玻璃襯底I進行徹底的清洗，清洗后用干燥氮氣吹干；
②采用反應磁控濺射在ITO上制備氮化硅薄膜形成柵極介電層3；
③將介電層3在功率為500W的氧等離子下轟擊120秒；④在氮化硅表面通過真空蒸鍍或者濺射的方法制備源電極5和漏電極6；
⑤采用真空蒸鍍制備并五苯有機半導體層4。
[0040] 本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于 舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人 員可以理解的是，本發明并不局限于上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的 變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的范圍以內。本發明的保護范圍由 附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
【權利要求】
1.一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:①先對襯底進行徹底的清洗，清洗后干燥；②在襯底的表面制備柵電極，形成柵電極的圖形；③在鍍有柵電極的基板的上制備介電層；④對形成的介電層進行氧等離子轟擊；⑤在已形成柵電極，以及己覆蓋經氧等離子轟擊的介電層的基板上制備有機半導體膜； ⑥然后制備源電極和漏電極，形成源電極，漏電極圖案。
2.根據權利要求1所述的一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法， 其特征在于:所述步驟④中，氧等離子轟擊功率范圍為2(T1000 W，轟擊時間為廣120秒。
3.根據權利要求1所述的一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法， 其特征在于:所述步驟③中，介電層包括二氧化硅、三氧化二鋁、五氧化二鉭、氮化硅、二氧化鈦、二氧化鉿、聚乙烯醇、聚酰亞胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯，介電層厚度為5~2000 nm。
4.根據權利要求1所述的一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法， 其特征在于:所述步驟①中，襯底由硅片、玻璃、聚合物薄膜或金屬箔制成。
5.根據權利要求1所述的一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法， 其特征在于:所述步驟⑤中，有機半導體層包括并四苯、并五苯、6，13-二三異丙酯硅基乙炔并五苯、酞菁銅、酞菁鋅、酞菁鈷、紅熒烯、六噻吩、聚噻吩或富勒烯，有機半導體層厚度為2~100 nm。
6.根據權利要求1所述的一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法， 其特征在于:所述步驟②⑥中，柵電極、源電極和漏電極由金屬及其合金材料、金屬氧化物或導電復合材料制成，源電極和漏電極的厚度為1(T100 nm。
7.根據權利要求1所述的一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法， 其特征在于:所述步驟②⑥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、打印或旋涂中的一種方法制備。
8.根據權利要求1所述的一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法， 其特征在于:所述步驟③中，介電層是通過等離子體增強的化學氣相沉積、熱氧化、旋涂或者真空蒸鍍中的一種方法制備。
9.根據權利要求1所述的一種基于有機薄膜晶體管一氧化碳氣體傳感器的制備方法， 其特征在于:所述步驟⑤中，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、 旋涂、真空蒸鍍、輥涂、滴膜、壓印、印刷或氣噴中的一種方法制備。
【文檔編號】G01N27/00GK103604835SQ201310657273
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月9日 優先權日:2013年12月9日
【發明者】于軍勝, 黃偉, 王瀚雨, 王曉, 蔣泉 申請人:電子科技大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
