一种基于激光诱导石墨烯的全碳有机电化学晶体管制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种基于激光诱导石墨烯的有机电化学晶体管的制备方法，设计并制造了基于LIG电极的全碳柔性高性能OECT。由于LIG的多孔结构，所获得的OECT的归一化跨导高达31S cm

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光诱导石墨烯的全碳有机电化学晶体管制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种生物传感，具体涉及一种基于激光诱导石墨烯的有机电化学晶体管的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]有机电化学晶体管(OECT)自1984年专利技术以来，在化学传感和生物电子学领域引起了越来越多的关注。OECT由源极、漏极和栅电极组成，源极和漏极由有机半导体连接，也称为沟道。在传感过程中，分析物在栅极表面上发生电化学、催化或酶促反应，产生电信号，该电信号被转换为放大的漏极电流。重要的是，OECT与溶液相容，在化学和生物传感方面尤其有利。此外，OECT可以在低电压(例如＜1V)下稳定运行。这些优势使OECT成为许多传感场景中的完美选择。
[0003]如今，柔性和便携式传感器正在被广泛研究，以满足现代生活方式中日益增长和复杂的需求。为了扩展OECT的应用，开发具有高度灵活性的替代品是必要的，也是迫切的。传统上，OECT被制造在刚性表面上，并且通常使用刚性金电极。为了增加柔性，需要在柔性表面上制造OECT，并且需要用柔性电极代替刚性金电极。碳纳米管、根银纳米线、根石墨烯、和MXene已被用作柔性电极，用于制造柔性OECT。然而，制造过程是复杂的，精确控制OECT的尺寸和沟道宽度是具有挑战性的。此外，这些电极中的一些在化学和/或机械上不稳定，限制了它们的实际应用。因此，迫切需要具有高性能和低成本的柔性OECT。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供具有低成本柔性全碳有机电化学晶体管的制备方法及应用。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种基于激光诱导石墨烯的有机电化学晶体管的制备方法，使用十二烷基苯磺酸(DBSA)为表面活性剂使聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)与多孔LIG电极有效结合；制作成的全碳柔性有机电化学晶体管(LIG
‑
OECT)，通过在多孔的LIG栅极表面修饰铂纳米颗粒(PtNPs)与葡萄糖氧化酶(Gox)实现H2O2与葡萄糖的灵敏传感。
[0006]优选的，具体的LIG
‑
OECT的通道尺寸为4mm(w)
×
500μm(l)
×
500nm(d)。
[0007]优选的，高柔性(弯曲，扭转)，高稳定性(8000次循环)，高归一化跨导31cm S
‑1[0008]有益效果：
[0009](1)通过使用LIG作为电极来制造全碳OECT。整个制造过程非常简单、廉价且可控，因此在大面积生产中很有前景。由于LIG电极的高孔隙率和导电性，在基于LIG的OCET中实现了31S cm
‑1的高归一化跨导。此外，所采用的LIG和PEDOT:PSS具有高的化学稳定性，并且基于LIG的OECT具有高的灵活性。这些性能优于基于传统刚性金电极的OECT中观察到的性能。基于LIG的OECT对过氧化氢(H2O2)和葡萄糖的检测非常敏感。该OECT设备还可以在与微
流体芯片集成后附着在人体皮肤上，用于实时监测汗液葡萄糖。本专利技术为高性能OECT的制造开发了一种简单且经济高效的方法，该方法可能在化学和生物传感中找到有前景的应用。
[0010](2)对于DBSA掺杂的PEDOT:PSS通道，PEDOT0的强度增加和PEDOT
+
的强度下降明显容易于原始PEDOT:PPS通道。因此由于DBSA的掺杂，高质量的PEDOT:PSS
–
LIG界面可能有利于偏置下PEDOT:PPS通道的离子掺杂和去掺杂，很好地解释了LIG
‑
OCT的高性能。
[0011](3)当激光功率从2.6W增加到3.0W时，OECT的归一化跨导从12S cm
‑1增加到31S cm
‑1(图4e)。当激光扫描速度从100mm S
‑1增加到150mm S
‑1时，归一化跨导从31S cm
‑1下降到10S cm
‑1(图4f)。
[0012](4)本专利技术还通过在栅电极上施加交流(AC)电势来研究基于LIG的OECT的稳定性。漏极电流交替响应施加的电势，最大电流保持稳定达8000个循环，表明基于LIG的OECT具有高稳定性。
[0013](5)该OECT设备可实现对H2O2和葡萄糖的灵敏检测，对H2O2最低检测限可达1nM，对葡萄糖检测限可达10nM，也可用于实时监测汗液葡萄糖，样本中葡萄糖浓度最低为20nM，最高为1mM。
[0014](6)基于LIG电极的全碳柔性OECT。由于LIG的多孔结构，所获得的OECT的归一化跨导高达31S cm
‑1。所获得的高性能优于在Au基OECT中所获得的性能。在器件形状变形后，可以保持高性能。在大角度(＞90
°
)扭转后，器件的传输曲线稳定，仅观察到漏极电流的轻微下降(图5c)。这些结果表明，基于LIG的OECT在柔性电子领域的许多应用中都很有前景。
[0015]此外，基于LIG的OECT具有比基于Au的OECT高得多的循环稳定性。此外，还证明了对H2O2和葡萄糖的灵敏检测。通过将基于LIG的OECT集成在微流体芯片中，还可以获得可穿戴的汗液传感器，有望实时无创地监测汗液葡萄糖。
[0016](7)已经演示了基于LIG的OECT及其在汗液感知中的应用。在不久的将来，该技术还可以扩展到许多其他柔性和可穿戴生物电子设备的制造和应用。更重要的是，可以进一步优化整个器件制造过程，以提高所获得的电子器件的输出性能。本专利技术中使用了一台非常便宜(3000元)、空间分辨率很差的激光雕刻机。通过使用高分辨率激光雕刻机减小OECT中的通道长度，可以大大提高设备的输出性能。
附图说明
[0017]图1为基于激光诱导石墨烯(LIG)的有机电化学晶体管(OECT)的设计。(a)聚酰亚胺衬底上的LIG；(b)LIG的多孔结构；(c)基于LIG的OECT示意图；(d)半导体聚合物PEDOT:PSS的化学结构；(e)LIG
‑
OCT的高电流调制能力；(f)OECT葡萄糖检测原理。
[0018]图2为LIG电极的制备和表征。(a)柔性聚酰亚胺薄膜上激光诱导石墨烯电极的示意图；(b)在2.6至3.0W的激光功率下制备的LIG电极的拉曼光谱；(c)聚酰亚胺和LIG电极的XPS C1s光谱；(d)在2.6至3.0W的激光功率下制备的LIG电极的表面孔隙率；(e)在2.6至3.0W的激光功率下制备的LIG电极的SEM图像和相应的表面孔隙率；(f)激光扫描速度为100、125和150mm s
‑1时制备的LIG电极的SEM横截面图像；在不同激光扫描速度下制备的LIG电极的(g)膜厚度和(h)电阻。
[0019]图3为高性能LIG
‑
OCT的工作机制。(a)LIG上原始和DBSA掺杂的PEDOT:PSS膜的SEM
图像；(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光诱导石墨烯的有机电化学晶体管的制备方法，其特征在于:使用柔性易于图案化的激光诱导石墨烯LIG作为电极，包括源极、漏极和栅电极；以光栅模式工作的CO2激光雕刻机在聚酰亚胺膜上对LIG电极进行图案化，源极和漏极由有机半导体连接，有机半导体使用十二烷基苯磺酸(DBSA)为表面活性剂使聚(3,4
‑
乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)与多孔LIG电极有效结合；制作成的全碳柔性有机电化学晶体管(LIG
‑
OECT)，通过在多孔的LIG栅极表面修饰铂纳米颗粒(PtNPs)实现H2O2的灵敏传感，栅极表面修饰铂纳米颗粒、葡萄糖氧化酶(Gox)与壳聚糖实现葡萄糖的灵敏传感。2.根据权利要求1所述的基于激光诱导石墨烯的有机电化学晶体管的制备方法，其特征在于：激光诱导石墨烯的雕刻参数为CO2激光器，波长10.6μm，焦距为5cm，功率为3.0W,扫描速度为100mm/s,步长为1像素；有机半导体的配方为500μL PEDOT：PSS(1.0～1.3wt％水溶液)，0.5μL DBSA，2.5μL GOPS(硅烷偶联剂),滴铸15μL混合溶液在电极区域作为通道，120℃退火1小时；有机半导体通道尺寸为4mm(w)
×
500μm(l)
×
500nm(d)。3.根据权利要求1所述的基于激光诱导石墨烯的有机电化学晶体管的制备方法，其特征在于：激光诱导石墨烯(LIG)电极的制备：通过CO2激光器在100μm厚的聚酰亚胺薄膜上原位激光雕刻石墨烯电极，激光工作模式为光栅模式，功率为3W，扫描速度为100mm/s，焦距为5cm；电极为共平面的三电极(源极、漏极和栅极)，源极与漏极平行，之间的距离为500μm，定义为晶体管的通道宽度；栅极与源极相距2mm，三个电极均可为长方形(3
×
12m...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕刚，任国彰，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：