一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器及其制备方法，所述有机场效应管从上到下依次为衬底、栅电极、介电层、介电修饰层、半导体层、源电极和漏电极。所述介电层修饰层为有机介电材料和偏钨酸铵的混合材料，所述半导体层为有机半导体材料与偏钨酸铵的混合材料。本发明专利技术通过引入含偏钨酸铵有效的提升器件性能及其对湿度的检测能力。偏钨酸铵的引入一方面半导体层形成多介孔结构，另一方面偏钨酸铵的分解，减小了半导体晶粒之间的间隙势垒，有效的提升了器件的性能，更适宜大规模、快速产业化生产。

A synergistic effect based humidity sensor for organic field-effect tube and its preparation method

The invention discloses an airport effect tube humidity sensor based on synergistic effect and a preparation method. The airport effect tube, from top to bottom, is a substrate, a gate electrode, a dielectric layer, a dielectric coating, a semiconductor layer, a source electrode and a leaky electrode. The dielectric layer is a mixture of organic dielectric material and ammonium tungstate, and the semiconductor layer is a mixture of organic semiconductor material and ammonium tungstate. The invention improves the performance of the device and its ability to detect humidity by introducing ammonium tungstate. With the introduction of ammonium tungstate, the semiconductor layer forms multi mesoporous structure, on the other hand, the decomposition of ammonium tungstate reduces the gap barrier between semiconductor crystals, effectively improves the performance of the device, and is more suitable for large-scale and rapid industrialization.

【技术实现步骤摘要】
一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器及其制备方法
本专利技术涉及湿度传感器领域，具体涉及一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器及其制备方法。
技术介绍
传感器的应用领域十分宽广，可以说从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都离不开各种各样的传感器，传感技术对国民经济的发展日益起着巨大的作用。湿度是表示大气干燥程度的一个物理量，准确测量湿度在许多方面都有着重要的用途，例如，环境检测、能源利用、医疗卫生、农业工程及国防安全的方方面面。以场效应管为基础构成的气体传感器成为传感器领域的一个研究热点，将其应用于无机和挥发性气体的检测已有广泛报道。有机场效应晶体管气体传感器相比于电阻式器件，由于具有灵敏度高、室温工作、易于集成以及独立的多参数来提高选择性等优点，加上有机材料本身所具备的由于质轻、价廉、具有柔性、制备方法简单、种类多、性能可通过分子设计进行调整等优势，在气体传感器领域一直倍受人们关注。然而，随着材料和制作工艺成本的增长，加上人们对环保电子材料的渴望，促使人们研发低成本、制备方法简单、种类多、环境友好的有机电子材料。与传统的硅基MOSFET相比，有机场效应晶体管的器件制备过程以低温沉积或溶液(喷黑打印、旋涂、滴注等)等简单的工艺代替了传统的高温真空沉积等方法制作器件的复杂过程。众所周知，有机层与介电层掺杂，是提升有机场效应晶体管器件性能和稳定性的一个简单有效的措施。而如何简单有效的构造多介孔结构的有机半导体层，从而增大被检测气体与敏感层的接触面积，是实现高响应度和灵敏度的传感器的一个重要途径。因此如何采用有机层与介电层掺杂的简单处理，产生协同效应，实现快的响应速度、高的响应度、高的灵敏度以及高的稳定性的传感器，是现在研究的一大热点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：解决现有技术中，虽然也将场效应晶体管应用与湿度传感器中，但是传感器与空气的接触面积有限，检测精度和稳定性不高，而多介孔结构的有机半导体层制备流程复杂，另一方面，若仅仅在半导体层中引入一定量的细菌纤维素纳米纤维，响应时间不快，且寿命较短。本专利技术提供了一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器及其制备方法，利用由于偏钨酸铵在不同温度下会产生不同分解程度的，使介电修饰层和半导体层形成多介孔结构，从而增大了水分子与半导体层的接触面积，提高了湿度传感器的检测精度和稳定性。由于偏钨酸铵分解后形成的氧化钨减小了半导体的分子内和分子间的载流子陷阱，从而提升了器件的稳定性，从而实现了传感器的高稳定性，延长了传感器的寿命。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术公开了一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器，从上到下依次包括衬底、栅电极、介电层、介电修饰层、半导体层、源电极和漏电极，其特征在于：所述介电修饰层由有机介电材料和偏钨酸铵的混合材料制成，所述偏钨酸铵的质量百分数为30％～50％，所述半导体层由可溶性有机半导体材料和偏钨酸铵的混合材料制成，所述半导体层中偏钨酸铵的质量百分数为10％～30％。可选的，所述介电层由聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯的中一种或多种的组合制成，所述介电层厚度为300～520nm。可选的，所述介电修饰层厚度为30～100nm，所述介电层与所述介电修饰层的材料一致。可选的，所述半导体层中的可溶性有机半导体材料由聚3-己基噻吩、Tips-并五苯、含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物、聚噻吩半导体系列的中一种制成，所述半导体层的厚度为25～100nm。可选的，所述栅电极、源电极和漏电极材料为金属纳米线，所述金属纳米线由银纳米线、金纳米线、铁纳米线、铜纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铝纳米线、镍纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种制成。本专利技术还公开了一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙酮溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；步骤2：在衬底表面制备所述栅电极；步骤3：在所述栅电极的表面上制备介电层；步骤4：将偏钨酸铵与有机介电材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备介电修饰层，并对所述介电修饰层进行70℃低温烘干；步骤5：将偏钨酸铵与可溶性有机半导体材料进行按比例超声混合，用混合后的溶液在所述介电修饰层上制备半导体层，并用130℃以上温度进行退火处理；步骤6：将所述半导体层用流动的水蒸气处理，再在烘箱进行烘干处理；步骤7：在步骤6制得后的半导体层上制备源电极和漏电极。可选的，在所述步骤3中，所述介电层通过旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。可选的，所述介电修饰层半导体层通过动甩旋涂、辊涂、滴膜、压印、印刷或喷涂中的一种方法制备。可选的，在所述步骤2和步骤7中，所述栅电极、源电极、漏电极通过真空热蒸镀、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。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有用效果为：1.本专利技术中介电修饰层和半导体层均含有偏钨酸铵，由于偏钨酸铵在不同温度下会产生不同分解程度的，使介电修饰层和半导体层形成多介孔结构，从而增大了水分子与半导体层的接触面积，从而提高了传感器的灵敏度和响应度。2.由于偏钨酸铵分解会形成气体和氧化钨，氧化钨作为一种空穴传输层，减小了半导体分子之间的势垒，从而实现了时间的高迁移率，缩短了传感器的响应时间。3.在本专利技术中用传感器的水蒸气处理残余偏钨酸铵，一方面增强了介电修饰层与半导体层的多孔结构，同时取出来亲水的偏钨酸铵，提高了器件的寿命与稳定性。4.由于偏钨酸铵分解后形成的氧化钨减小了半导体的分子内和分子间的载流子陷阱，从而提升了器件的稳定性，从而实现了传感器的高稳定性，延长了传感器的寿命。5.本专利技术利用偏钨酸铵的协同效应，一方面有利于形成多介孔结构的介电修饰层和半导体层，另一方面偏钨酸钠分解形成的氧化钨有利于形成高迁移率、高稳定性的半导体层。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本申请实施例中湿度传感器的结构示意图，其中，1-衬底，2-栅电极，3-介电层，4-介电修饰层，5-半导体层，6-源电极，7-漏电极；图2是本使申请实施例中湿度传感器气体响应时间电流曲线。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。实施例1：如图1所示为底栅顶接触式结构，各层的材料和厚度为：栅电极、源电极和漏电极均为银纳米线，介电层为聚苯乙烯(PS)，厚度为500nm，介电修饰层为聚乙烯醇(PVA)偏钨酸铵(含量为30％)混合构成，厚度为50nm。半导体层为聚3-己基噻吩(P3HT)与偏钨酸铵(含量为20％)混合构成，厚度为30nm。用该结构可实现高灵敏度高响应度，高稳定性的一种基于协同效应的场效应管湿度传感器。制备上述湿度传感器的步骤如下：1.利用洗涤剂、丙酮溶液、去离子水和异丙醇溶液对衬底进行清洗，清洗后用氮气吹干；2.在衬底表面制备银纳米线栅电极；3.在所述栅电极上面制备聚苯乙烯介电层；4.将偏钨酸铵与聚乙烯醇进行按比例超声混合，用混合后的溶液在介电层上制备介电修饰层，然后利用偏钨酸铵不同温度下分解为氧化钨和其他气体的特性，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器，从上到下依次包括衬底、栅电极、介电层、介电修饰层、半导体层、源电极和漏电极，其特征在于：所述介电修饰层由有机介电材料和偏钨酸铵的混合材料制成，所述偏钨酸铵的质量百分数为30％～50％，所述半导体层由可溶性有机半导体材料和偏钨酸铵的混合材料制成，所述半导体层中偏钨酸铵的质量百分数为10％～30％。

【技术特征摘要】
1.一种基于协同效应的有机场效应管湿度传感器，从上到下依次包括衬底、栅电极、介电层、介电修饰层、半导体层、源电极和漏电极，其特征在于：所述介电修饰层由有机介电材料和偏钨酸铵的混合材料制成，所述偏钨酸铵的质量百分数为30％～50％，所述半导体层由可溶性有机半导体材料和偏钨酸铵的混合材料制成，所述半导体层中偏钨酸铵的质量百分数为10％～30％。2.根据权利要求1所述的基于协同效应的有机场效应管湿度传感器，其特征在于，所述介电层由聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯的中一种或多种的组合制成，所述介电层厚度为300～520nm。3.根据权利要求1所述的基于协同效应的有机场效应管湿度传感器，其特征在于，所述介电修饰层厚度为30～100nm，所述介电层与所述介电修饰层的材料一致。4.根据权利要求1所述的基于协同效应的有机场效应管湿度传感器，其特征在于，所述半导体层中的可溶性有机半导体材料由聚3-己基噻吩、Tips-并五苯、含硅氧烷的聚异戊二烯衍生物、聚噻吩半导体系列的中一种制成，所述半导体层的厚度为25～100nm。5.根据权利要求1所述的基于协同效应的有机场效应管湿度传感器，其特征在于，所述栅电极、源电极和漏电极材料为金属纳米线，所述金属纳米线由银纳米线、金纳米线、铁纳米线、铜纳米线、钴纳米线、锰纳米线、镉纳米线、铝纳米线、镍纳米线、铟纳米线、锡纳米线、钨纳米线和铂纳米线中的一种制成...

【专利技术属性】
技术研发人员：于军胜，庄昕明，侯思辉，杨祖崇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51