有機(jī)薄膜晶體管的制備及其氣敏性能的研究.pdf

1、有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）由于其制備成本低、易實現(xiàn)大面積、制備方法簡單和可彎折等特點在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，OTFT器件在有機(jī)發(fā)光二極管顯示、射頻識別、傳感器等領(lǐng)域顯示了重要的應(yīng)用價值。尤其是在氣體傳感器方面，多參數(shù)模式、易集成和可彎折等優(yōu)點成為其他類型氣體傳感器所不能取代的優(yōu)勢。OTFT氣體傳感器最大的特點在于有源層薄膜是OTFT器件的導(dǎo)電溝道層也是氣體傳感器的氣體敏感薄膜。因此。針對OTFT有源層薄膜的選擇、修飾、改性一直是

2、人們提高OTFT氣體傳感器性能所關(guān)注的焦點。根據(jù)不同類型的OTFT器件的特點，本文采用底柵底接觸結(jié)構(gòu)的OTFT器件，以便氣體敏感薄膜能夠與待測氣體分子直接接觸，提高OTFT氣體傳感器的性能。制備了以聚（三-己基噻吩）（P3HT）、P3HT-氧化鋅（ZnO）納米棒的復(fù)合薄膜、P3HT/還原的氧化石墨烯（RGO）分層薄膜等作為敏感薄膜的OTFT氣體傳感器，對其器件的基本電學(xué)性能和氣敏性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。同時，結(jié)合多種分析手段對氣敏薄

3、膜的特性進(jìn)行表征，深入地探討了氣體傳感器的氣敏機(jī)理。主要內(nèi)容包括：
　?、胖苽淞嘶赑3HT薄膜的OTFT氣體傳感器用于檢測二氧化氮（NO2）。研究了氣體傳感器的敏感機(jī)理，得到了氣敏薄膜的最佳優(yōu)化參數(shù)。實驗結(jié)果表明適當(dāng)?shù)臏p小器件中敏感薄膜的厚度有利于傳感器性能的提高。敏感薄膜采用噴涂成膜的方式制備，通過控制噴涂溶液的體積沉積不同厚度的敏感薄膜。首先，針對P3HT薄膜研究了其對NO2的氣體敏感機(jī)理。由于柵極電壓能夠調(diào)控器件中載流子的

4、分布狀態(tài)，對柵極施加不同的電壓條件，驗證氣體傳感器的主要響應(yīng)機(jī)制為類似“摻雜效應(yīng)”。然后，改變敏感薄膜厚度優(yōu)化OTFT氣體傳感器的性能。對比不同厚度薄膜器件之間的差異發(fā)現(xiàn)：薄膜的厚度增加導(dǎo)致界面處的表面勢變大，這樣就會在相同的柵極電壓下吸附更多的空穴載流子形成導(dǎo)電通道，因此OTFT的閾值電壓會向正值方向移動，遷移率增大；隨著敏感薄膜厚度的減小，傳感器對相同濃度NO2的響應(yīng)值會變大。這是因為在厚度較小的薄膜中，空氣/P3HT界面與P3HT

5、/SiO2界面相鄰較近，表面吸附的氣體分子會以相對更大程度地擾亂溝道中的空穴載流子傳輸。
　　⑵將ZnO納米棒摻雜引入到P3HT薄膜中用來優(yōu)化OTFT氣體傳感器的性能，并結(jié)合對傳感器敏感機(jī)理的研究，提出了兩種快速、準(zhǔn)確評估OTFT氣體傳感器性能的方法，用來解決傳感器恢復(fù)時間過長造成的響應(yīng)偏差。文中詳細(xì)地研究了ZnO納米棒的摻雜對P3HT薄膜的微觀結(jié)構(gòu)的影響。ZnO納米棒促進(jìn)了P3HT薄膜的結(jié)晶度增加和P3HT側(cè)鏈的取向更加規(guī)則，這

6、就會引起器件內(nèi)載流子運輸狀態(tài)的變化，優(yōu)化了器件的電學(xué)性能。此外，P3HT與ZnO納米棒構(gòu)成了異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致薄膜中電子與空穴的分布產(chǎn)生變化，改善了器件的性能。室溫下測試OTFT器件對NO2的氣敏性能，結(jié)果表明：OTFT氣體傳感器對NO2十分敏感，最低檢測限達(dá)到幾ppb。但是在測試高濃度的NO2時，存在傳感器恢復(fù)時間過長的這一問題，影響OTFT氣體傳感器的準(zhǔn)確性。為了克服這個問題，提出了兩種能夠快速、準(zhǔn)確地評估傳感器性能的方法。第一種方法是

7、采用OTFT器件的閾值電壓變化作為傳感器的輸出信號。多次針對沒有完全恢復(fù)的器件測試發(fā)現(xiàn)在同一濃度的待測氣體下，傳感器閾值電壓的變化基本相同。第二種方法是基于氣體分子的吸附行為方程提出的一種數(shù)據(jù)處理方法。經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)的驗證這種方法具有很高的可靠性。
　?、锹氏葘⒍蚧f（Molybdenum Disulfide，MoS2）引入到聚合物P3HT中作為NH3傳感器的敏感材料，制備不同結(jié)構(gòu)的敏感薄膜，發(fā)現(xiàn)采用P3HT-MoS2復(fù)合薄膜的傳

8、感器的恢復(fù)時間明顯縮短。MoS2是一種典型的二維半導(dǎo)體材料，其特點是載流子遷移率高。制備的器件由于MoS2的存在 OTFT器件的電學(xué)性能發(fā)生了明顯的改變，其中OTFT的輸出特性曲線中的飽和區(qū)不再明顯。研究了制備的薄膜微觀結(jié)構(gòu)的差異發(fā)現(xiàn)：MoS2的加入使得P3HT分子與分子之間的距離由于相互作用的原因變小了。這就會使載流子在有源層溝道內(nèi)的傳輸更為迅速。因此，氣體傳感器表現(xiàn)出更好的恢復(fù)性。而分層膜結(jié)構(gòu)的改善沒有復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的明顯。此外，還深入

9、地討論了氣體響應(yīng)的敏感機(jī)理，采用不同載氣對傳感器的性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明：氧氣分子在沒有進(jìn)行氣體測試之前已經(jīng)預(yù)先占據(jù)了強(qiáng)弱的吸附位，當(dāng)接觸到氨氣分子之后，氨氣分子與氧氣分子競爭奪取氣體的吸附位。氣體的恢復(fù)過程是其相反的過程。
　?、葘⑿滦蜌饷舨牧蟁GO與聚合物P3HT制備成P3HT/RGO分層薄膜結(jié)構(gòu)的敏感薄膜，發(fā)現(xiàn)RGO作為底層材料可以提高對NO2氣體的靈敏度，改善RGO薄膜對氣體的選擇性。文中對制備的器件電學(xué)性能測試得到：因為

10、RGO材料的電導(dǎo)率和遷移率都很高，所以O(shè)TFT輸出特性曲線沒有發(fā)現(xiàn)明顯的飽和區(qū)，這嚴(yán)重地影響了OTFT的電學(xué)性能。但是對于NO2氣敏性能測試結(jié)果得到：采用RGO作為底層，P3HT作為頂層的這種分層薄膜結(jié)構(gòu)明顯提高了NO2氣體傳感器的響應(yīng)和靈敏度。這與RGO本身的二維納米結(jié)構(gòu)有關(guān)，待檢測氣體分子能夠直接與材料的全部原子接觸。深入地研究待測氣體的實時響應(yīng)-恢復(fù)曲線發(fā)現(xiàn)RGO在與NO2氣體分子吸附時存在著不同的吸附位，響應(yīng)曲線中存在快慢響應(yīng)之