一种有机场效应管二氧化氮传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器制备技术领域，特别涉及一种有机场效应管二氧化氮传感器。
【背景技术】
[0002]在人类的日常生产生活中，直接或间接的向大气中释放了很多有害气体，如氨气、二氧化氮、二氧化硫、甲醛、硫化氢等。这些有害气体严重影响着人类的身体健康，高浓度的还会危及生命安全。
[0003]在过去的十几年里，科研工作者研发出了大量的基于金属氧化物薄膜、光纤以及生物材料的气体传感器。从工作原理上讲，目前市场上主流的气体传感器，多为电阻式传感器，通过气体分子在薄膜表面发生反应引起电导率的变化，宏观上通过检测电阻值的变化以实现对气体浓度的检测。而非电阻式主要是通过利用一些物理效应和器件特性来实现对气体的检测，比如电容(c-ν)的改变、肖特基二极管的伏安特性和金属-氧化物-半导体场效应管(M0SFET)阈值电压变化等特性。在基于晶体管的传感器中，栅极电压由于被测物质的影响会产生轻微的变化，由于晶体管本身的放大作用，就会获得变化明显的沟道电流，通过检测沟道电流即可实现对待测物质的检测，相较于较难监控的电阻更易于探测。
[0004]随着有机电子学的飞速发展及其在传感器领域的应用，以有机场效应管(organicthin-film transistor, 0TFT)为基础构成的化学传感器成为传感器领域的一个研究热点，将其应用于无机和有机挥发性气体的检测已有广泛报道。与传统的气体传感器相比，基于0TFT结构的气体传感器除了具有灵敏度高、可在常温下使用等优点外，还具有几个显著优点:
1)利用晶体管基本特性将难以检测的高电阻变化转变为易检测的电流变化；
2)可通过适当选择器件的栅极工作电压来调节传感器的灵敏度；
3)多参数模式更有利用气体的识别和分析；
4)通过对有机物分子的化学修饰可方便地调节传感器的电性能，提高灵敏度；
5)有机物柔韧性好，可以弯曲，易于制成各种形状；
6)易于集成，可制备大面积传感器阵列，便于向集成化、微型化方向发展。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于克服传统的气体传感器的缺点，提供一种制备工艺简单，生产成本低廉，可用于气体检测并且能够多参数响应的一种基于混合绝缘层的有机场效应管气体传感器及其制备方法。
[0006]本发明的技术方案为:
一种有机场效应管二氧化氮传感器，从下到上以此为衬底、栅电极、绝缘层、氧化锌纳米颗粒、有机半导体层、杂质有机半导体分子、源电极和漏电极，其特征在于，所述有机半导体层为非连续薄膜；所述绝缘层表面分散有氧化锌纳米颗粒；所述杂质有机半导体分子沉积在有机半导体层间隙中并与氧化锌纳米颗粒接触。
[0007]进一步地，所述有机半导体层由P型小分子有机半导体材料构成，包括并四苯、并五苯、6，13 - 二三异丙酯娃基乙炔并五苯、红焚稀或六噻吩中的一种，所述有机半导体层厚度为 20 nm- 30 nm。
[0008]进一步地，所述杂质有机半导体分子为η型小分子或者高电子密度的p型小分子，所述η型小分子包括，C60、N，V - 二戊基_3，4，9，10-茈二甲酰亚胺，N，V -二苯基_3，4，9，10-茈二甲酰亚胺、N，f - 二辛基_3，4，9，10-茈二甲酰亚胺、N，N’-双(2，5-二叔丁基苯基)-3，4，9，10-茈二甲酰亚胺、全氟酞菁铜、1，4，5，8-萘四甲酸酐，所述p型小分子包括酞菁铜、酞菁锌、酞菁钴；
进一步地，所述绝缘层厚度为500 nm - 2000 nm，所述氧化锌纳米颗粒直径为5 nm-10 nm。
[0009]进一步地，所述聚合物绝缘层的材料为聚苯乙烯、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内酯以及它们之间的共聚物中的一种。
[0010]进一步地，栅电极、源电极和漏电极由金、银或铜及其合金材料中的一种制成，源电极和漏电极的厚度为50 ~ 100 nm。
[0011]进一步地，所述衬底为硅片、玻璃、聚合物薄膜、金属箔、植物纤维、纤维蛋白凝胶、明胶、聚乳酸、病毒纤维素、聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的一种或多种。
[0012]本发明还公开了一种有机场效应管二氧化氮传感器的制备方法，包括以下步骤:
①先对衬底进行彻底的清洗，清洗后干燥；
②在衬底表面制备栅电极；
③在所述栅电极上面制备表面分散有氧化锌纳米颗粒的绝缘层；
④在所述绝缘层上制备非连续有机半导体层；
⑤在所述有机半导体层上制备源电极和漏电极。
[0013]进一步地，步骤③中，绝缘层通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备，氧化锌纳米颗粒采用快速旋涂、印刷或喷涂中的一种方法制备。
[0014]进一步地，步骤②⑤中，栅电极、源电极、漏电极是通过真空热蒸镀、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，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、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点在于:
一、通过将氧化锌纳米颗粒引入绝缘层表面，改变绝缘层表面的浸润性，从而使后续生长的有机半导体层形成不连续的薄膜；
二、杂质有机半导体分子沉积在不连续有机半导体层的缝隙中，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，当器件暴露在二氧化氮气体中时，杂质有机半导体分子的陷阱作用会极大地减弱甚至消失，从而使得器件性能大幅提升，进而获得较高的响应；
三、处于绝缘层表面的氧化锌纳米颗粒在吸附二氧化氮气体以后，会对器件阈值电压产生较大影响，从而使得器件阈值电压跟二氧化氮气体浓度成线性关系，进而实现整个器件的多参数检测； 四、本发明可在室温下工作，无需加热源，降低了器件成本和能源消耗，氧化锌纳米颗粒以及所需绝缘材料来源广泛，均已实现工业化生产，该优势对于大量使用的传感器尤为重要。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的结构示意图；
图中:1-1源电极、1-2漏电极，2-杂质有机半导体分子，3-有机半导体层，4-氧化锌纳米颗粒5-绝缘层，6-栅电极，7-衬底。
[0017]图2是本发明的原理示意图；
图3是实施例1，对于不同浓度的二氧化氮的响应曲线。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0019]参照图1，本发明的一种基于混合绝缘层的有机场效应管气体传感器，包括衬底7、栅电极6、绝缘层5、氧化锌纳米颗粒4、有机半导体层3、杂质有机半导体分子2、源电极和漏电极1，所述栅电极设置与衬底之上，绝缘层设置于栅电极之上，源电极和漏电极分别设置于有机半导体层之上；所述有机半导体层为非连续薄膜；所述绝缘层表面分散有氧化锌纳米颗粒；所述杂质有机半导体分子沉积在有机半导体层间隙中并与氧化锌纳米颗粒接触。
[0020]以下是本发明的具体实施例:
实施例1:
如图1所示:衬底7为玻璃，栅电极6为ΙΤ0，厚度为50 nm，混合绝缘层5为由聚甲基丙稀酸甲酯混合而成，厚度为500 nm，氧化锌纳米颗直径为5 nm，有机半导体层材料为并五苯，厚度为20 nm，杂质有机半导体分子为酞菁铜，源电极漏电极均为Au，厚度为50 nm。
[0021]制备方法如下:
①对溅射好栅电极Ι??的玻璃衬底7进行彻底的清洗，清洗后用干燥氮气吹干；
②采用旋涂法在ΙΤ0上制备混合绝缘层5;
③采用旋涂法在绝缘层表面制备氧化锌纳米颗粒；
④采用真空蒸镀法制备并五苯有机半导体层和酞菁铜杂质有机半导体分子；
④采用真空蒸镀法制备源电极漏电极。
[0022]实施例2:
如图1所示:衬底7为玻璃，栅电极6为ΙΤ0，厚度为100 nm，混合绝缘层5为由聚甲基丙烯酸甲酯混合而成，厚度为2000 nm，氧化锌纳米颗直径为10 nm，有机半导体层材料为并五苯，厚度为30 nm，杂质有机半导体分子为酞菁铜，源电极漏电极均为Au，厚度为100 nm。
[0023]制备方法如同实施例1.实施例3:
如图1所示:衬底7为玻璃，栅电极6为ΙΤ0，厚度为80 nm，混合绝缘层5为由聚甲基丙烯酸甲酯混合而成，厚度为1000 nm，氧化锌纳米颗直径为8 nm，有机半导体层材料为并五苯，厚度为25 nm，杂质有机半导体分子为