一种场效应晶体管丙酮气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种场效应晶体管丙酮气体传感器及其制备方法。本发明专利技术提供的场效应晶体管丙酮气体传感器，包括依次层叠设置的绝缘衬底、栅电极层、栅电极绝缘层、有源层和电极层；所述电极层包括源电极和漏电极；所述有源层的材料为异质结结构的n‑In

【技术实现步骤摘要】
一种场效应晶体管丙酮气体传感器及其制备方法
本专利技术涉及气体传感器
，尤其涉及一种场效应晶体管丙酮气体传感器及其制备方法。
技术介绍
丙酮是一种无色透明液体，易挥发，易燃，有特殊的辛辣气味。丙酮在工业上主要作为溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、制革、油脂和喷漆等行业中，也可以作为合成烯酮、醋酐、碘仿、聚异戊二烯橡胶、氯仿和环氧树脂等物质的重要原料。丙酮气体长期接触会出现眩晕、灼烧感、咽炎、支气管炎、乏力和易激动等。皮肤长期反复接触可致皮炎，其蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热极易燃烧爆炸。因此，对丙酮气体的快速、及时、准确的检测是很有必要的。所以需要灵敏度高、响应速度快、选择性与可靠性好的丙酮气体传感器。目前，在大部分的研究中都是以电阻型传感器和晶体管型气体传感器为主，与传统的电阻式传感器相比，场效应晶体管(FETs)传感器响应快、选择性好、可室温条件下工作。因此，场效应晶体管传感器的研究成为了新型传感器研究的一个热点及难点，并引起了国内外许多科研人员的广泛兴趣。与此同时，基于金属氧化物的气体传感器由于其高稳定性和低成本而成为最广泛使用的气体传感器类型。但是，金属氧化物薄膜场效应晶体管虽然有较高的电学稳定性，但是它的传感器的灵敏度是由于它有限的吸附面积。因此，目前对于金属氧化物场效应晶体管气体传感器的研究重点仍然是提高传感器的灵敏度，增强对低浓度气体的检测，以制备高响应、高选择性、高稳定性、低功耗的气体传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种场效应晶体管丙酮气体传感器及其制备方法，所述场效应晶体管丙酮气体传感器具有高响应、高选择性、高稳定性和低能耗的特点。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种场效应晶体管丙酮气体传感器，包括依次层叠设置的绝缘衬底、栅电极层、栅电极绝缘层、有源层和电极层；所述电极层包括源电极和漏电极；所述有源层的材料为异质结结构的n-In2O3/p-CuO复合金属氧化物纳米纤维。优选的，所述异质结结构的n-In2O3/p-CuO复合金属氧化物纳米纤维中p-CuO的质量百分含量为3～10％；所述有源层的厚度为50～150nm。优选的，所述绝缘衬底为硅片、柔性衬底、玻璃衬底或陶瓷衬底。优选的，所述栅电极层的材料为Au、Al、Cr、Ti、ITO、Ag和W中的一种或几种；所述栅电极层的厚度为50～100nm。优选的，所述栅电极绝缘层的材料为氧化钆、氧化锆和氧化铪中的一种或几种；所述栅电极绝缘层的厚度为30～100nm。优选的，所述源电极和漏电极的材料独立地为Au、Ag、Mo、Al、Cr、Ti和Pd中的一种或几种；所述电极层的厚度为50～100nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述的场效应晶体管丙酮气体传感器的制备方法，包括以下步骤：在绝缘衬底的上表面依次制备栅电极层、栅电极绝缘层、有源层和电极层，得到所述场效应晶体管丙酮气体传感器。优选的，制备所述有源层的方法为静电纺丝法和原子层沉积法。优选的，制备所述有源层的方法，包括以下步骤：将In2O3、聚乙烯吡咯烷酮和N，N-二甲基甲酰胺混合，得到溶胶；将所述溶胶进行静电纺丝，在所述栅电极绝缘层的上表面收集纳米纤维产物，得到In2O3/纳米纤维层；以Cu(thd)2作为铜源，O3作为氧源，采用原子层沉积法，在所述In2O3/纳米纤维层的上表面制备壳状CuO，得到复合物纳米纤维层；将所述复合物纳米纤维进行煅烧，得到所述有源层。优选的，所述煅烧的温度为500～550℃，所述煅烧的时间为2～3小时；所述静电纺丝的收集板和针头的距离为12～15cm，电压为13～14kV，时间为2～4min。本专利技术提供了一种场效应晶体管丙酮气体传感器，包括依次设置的绝缘衬底、栅电极层、栅电极绝缘层、有源层和电极层；所述电极层包括源电极和漏电极；所述有源层的材料为异质结结构的n-In2O3/p-CuO复合金属氧化物纳米纤维。本专利技术采用异质结结构的n-In2O3/p-CuO复合金属氧化物纳米纤维作为有源层的材料的场效应晶体管丙酮气体传感器的传感机理如下：当传感器放置在大气环境中时，氧气分子会吸附在传感材料表面，氧气分子会从In2O3和CuO的导带中夺取电子，形成O2-,如式1所示：式1；所述异质结结构的n-In2O3/p-CuO复合金属氧化物纳米纤维吸附空气中的氧气时能带上弯，在表面形成耗尽层，传感器的电导率降低，电流下降。当传感器位于充满丙酮气体的环境中时，丙酮会和半导体材料上的O2-发生如式2所示的反应：式2；之前被氧分子夺走的电子会释放出来，重新回到In2O3和CuO的导带中，半导体材料中的能带向上弯曲程度减小，之前形成的耗尽层宽度减小，传感器的电导率上升，电流升高。所述有源层的设置增加了气体的反应活性位点和催化活性，更好地吸附提高气体传感器的传感性能。有益效果：1)采用常见的半导体材料In2O3和CuO，使所述气体传感器具有良好的电导率和物理化学稳定性；2)所述气体传感器采用In2O3和CuO构建异质结结构，增加了气体催化活性，有利于提高气体传感器的传感性能，对丙酮气体具有高响应与高选择性，促进实用化；3)所述气体传感器以纳米纤维场效应晶体管为平台，功耗低，敏感性高。附图说明图1为本专利技术所述场效应晶体管丙酮气体传感器的结构示意图，其中，1为绝缘衬底，2为栅电极层，3为栅电极绝缘层，4为有源层，4(a)为n-In2O3层，4(b)为p-CuO层，5为源电极，6为漏电极；图2为对比例1所述场效应晶体管丙酮气体传感器的丙酮浓度-灵敏度的标准工作曲线；图3为实施例1所述场效应晶体管丙酮气体传感器的丙酮浓度-灵敏度的标准工作曲线。图4为对比例1、实施例1～3中场效应晶体管丙酮气体传感器的丙酮浓度-灵敏度的对比图。具体实施方式本专利技术提供了一种场效应晶体管丙酮气体传感器，包括依次设置的绝缘衬底、栅电极层、栅电极绝缘层、有源层和电极层；所述电极层包括源电极和漏电极；所述有源层的材料为异质结结构的n-In2O3/p-CuO复合金属氧化物纳米纤维(所述场效应晶体管丙酮气体传感器的结构示意图如图1所示)。在本专利技术中，所述依次设置的绝缘衬底、栅电极层、栅电极绝缘层、有源层和电极层构成所述场效应晶体管丙酮气体传感器的底栅结构。本专利技术提供的场效应晶体管丙酮气体传感器包括绝缘衬底；所述绝缘衬底优选为硅片、柔性衬底、玻璃衬底或陶瓷衬底；所述柔性衬底优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底或聚酰亚胺(PI)衬底。在本专利技术中，所述绝缘衬底的厚度优选为30～100nm，更优选为40～60nm。本专利技术提供的场效应晶体管丙酮气体传感器还包括栅电极层。在本专利技术中，所述栅电极层的材料优选为Au、Al、Cr、Ti、ITO、Ag和W中的一种或几种；当所述栅电极层的材料为上述具体选择中的两种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种场效应晶体管丙酮气体传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的绝缘衬底、栅电极层、栅电极绝缘层、有源层和电极层；所述电极层包括源电极和漏电极；/n所述有源层的材料为异质结结构的n-In

【技术特征摘要】
1.一种场效应晶体管丙酮气体传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的绝缘衬底、栅电极层、栅电极绝缘层、有源层和电极层；所述电极层包括源电极和漏电极；
所述有源层的材料为异质结结构的n-In2O3/p-CuO复合金属氧化物纳米纤维。


2.如权利要求1所述的场效应晶体管丙酮气体传感器，其特征在于，所述异质结结构的n-In2O3/p-CuO复合金属氧化物纳米纤维中p-CuO的质量百分含量为3～10％；
所述有源层的厚度为50～150nm。


3.如权利要求1所述的场效应晶体管丙酮气体传感器，其特征在于，所述绝缘衬底为硅片、柔性衬底、玻璃衬底或陶瓷衬底。


4.如权利要求1所述的场效应晶体管丙酮气体传感器，其特征在于，所述栅电极层的材料为Au、Al、Cr、Ti、ITO、Ag和W中的一种或几种；
所述栅电极层的厚度为50～100nm。


5.如权利要求1所述的场效应晶体管丙酮气体传感器，其特征在于，所述栅电极绝缘层的材料为氧化钆、氧化锆和氧化铪中的一种或几种；
所述栅电极绝缘层的厚度为30～100nm。


6.如权利要求1所述的场效应晶体管丙酮气体传感器，其特征在于，所述源电极和漏电极的材料独立地为Au、Ag、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊，陈琦，张志林，张建华，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31