有机薄膜晶体管的界面特性对其气敏性能的影响

发布时间：2020-04-19 04:42

【摘要】：有机薄膜晶体管(organic thin-film transistor,OTFT)因其低成本、轻量化、可柔韧性、湿法加工以及有机功能材料设计多样性的优势而备受关注,是现代有机电子学领域的重要器件之一。气体传感器作为OTFT的一种重要应用,在过去几十年得到了飞速的发展,成为了敏感电子学与传感技术领域的研究热点方向之一,气体分析物与有机功能材料之间的物理/化学相互作用会显著影响OTFT沟道中的电荷传输;另一方面,OTFT既可以作为信号转换器又可以作为信号放大器,实现多参数检测。本论文从近期OTFT的发展动向出发,回顾了OTFT气体传感器当前的研究现状与策略,引入氧化锌纳米颗粒、极性聚合物介电材料和聚合物复合薄膜体系,改变OTFT的界面特性,最终制备出了高性能的OTFT气体传感器。本论文的研究内容主要分为以下三个部分:1.聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacry),PMMA)和氧化锌(zinc oxide,ZnO)纳米颗粒复合介电层对OTFT气敏性能影响的研究制备了基于ZnO/PMMA复合介电层的OTFT氨气传感器,75 ppm下的响应提高了近10倍,将该OTFT置于大气环境中40天后,测试了其器件性能以及气敏特性;利用ZnO/PMMA复合介电层和酞菁铜/并五苯异质结的协同效应制备了高响应OTFT二氧化氮传感器,该OTFT器件在大气环境中储存30天后,其漏极电流对0.5 ppm二氧化氮的响应增大了超过10倍。2.极性聚合物介电层对OTFT气敏性能影响的研究在两层PMMA中间插入含有羟基的聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol),PVA)或聚(4-乙烯基苯酚)(poly(4-vinylphenol),PVP)形成三明治结构介电层,基于该介电层结构的n型OTFT,其场效应迁移率提高了10倍以上(p型为3倍),阈值电压降低到原来的二分之一(p型为八分之一),两种类型器件的电流开关比均提高了两个数量级;使用PMMA/PVA/PMMA介电层结构的六噻吩OTFT的场效应迁移率达到了0.08 cm~2/Vs,比单一PMMA介电层的提高了8倍,且暴露于大气环境后几乎没有变化;以PVA为气体聚集层制备了OTFT氨气传感器,0.5 ppm氨气氛围下,漏极电流的响应为50.3%,比纯PMMA介电层器件提高了一个数量级,在施加栅极预置电压之后,漏极电流对0.5 ppm氨气的响应增加至66.9%。通过改变栅极预置电压方向,可以促进氨气的吸附和脱附过程,并表现出非易失的特性。3.聚合物复合薄膜对OTFT气敏性能影响的研究系统分析了使用不同溶剂制备的聚苯乙烯(polystyrene,PS)和聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl),P3HT)复合薄膜中分子排列、聚集和电荷传输与溶剂沸点和溶解度之间的关系,制备了低成本高性能的OTFT;制备了基于P3HT/PS复合薄膜的OTFT氨气传感器,当PS中P3HT的有效浓度为1.6mg/mL时,器件具有与纯P3HT器件相当(8 mg/mL)的气敏性能,将该氨气传感器放置于大气环境中40天后仍可对氨气实现有效检测;将空穴传输材料聚(9-乙烯基咔唑)(poly(9-vinylcarbazole),PVK)与P3HT混合作为OTFT的有机半导体层,制备出了高响应度的二氧化氮传感器,该传感器在室温下可以通过调整栅极电压大小实现两种模式工作,当栅极电压为0 V时,使用1:1 P3HT:PVK复合薄膜时,对30 ppm的最高响应为20000%(600 ppb为700%),几乎是纯P3HT的40倍。综上所述,本工作针对基于OTFT的气体传感器气敏响应偏低、选择性和空气稳定性较差以及制备成本高等问题,利用多种方法改善OTFT界面特性,得到了高性能的OTFT气体传感器,为其在敏感电子学与传感技术领域的广泛应用打下了坚实的基础。
【图文】：

四种 OTFT 器件结构图。(a)底栅顶接触；(b)底栅底接触；(c)顶栅触。（Drain 为源极电极，Source 为漏极电极，，Organic Semiconducielectric 为介电层，Gate 为栅极电极，Substrate 为器件制备所用基

图 1-2 典型的 MOSFET 结构图T 实际上可以理解为是一种电学开关，通过栅极电压（VG）来调S），在栅极电压作用下，对应类型的载流子将会聚集在有机半，这时对源极和漏极施加适当的电压差（V
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN321.5

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本文编号：2632935