【摘要】：有機薄膜晶體管(organic thin-film transistor,OTFT)因其低成本、輕量化、可柔韌性、濕法加工以及有機功能材料設計多樣性的優(yōu)勢而備受關注,是現(xiàn)代有機電子學領域的重要器件之一。氣體傳感器作為OTFT的一種重要應用,在過去幾十年得到了飛速的發(fā)展,成為了敏感電子學與傳感技術(shù)領域的研究熱點方向之一,氣體分析物與有機功能材料之間的物理/化學相互作用會顯著影響OTFT溝道中的電荷傳輸;另一方面,OTFT既可以作為信號轉(zhuǎn)換器又可以作為信號放大器,實現(xiàn)多參數(shù)檢測。本論文從近期OTFT的發(fā)展動向出發(fā),回顧了OTFT氣體傳感器當前的研究現(xiàn)狀與策略,引入氧化鋅納米顆粒、極性聚合物介電材料和聚合物復合薄膜體系,改變OTFT的界面特性,最終制備出了高性能的OTFT氣體傳感器。本論文的研究內(nèi)容主要分為以下三個部分:1.聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacry),PMMA)和氧化鋅(zinc oxide,ZnO)納米顆粒復合介電層對OTFT氣敏性能影響的研究制備了基于ZnO/PMMA復合介電層的OTFT氨氣傳感器,75 ppm下的響應提高了近10倍,將該OTFT置于大氣環(huán)境中40天后,測試了其器件性能以及氣敏特性;利用ZnO/PMMA復合介電層和酞菁銅/并五苯異質(zhì)結(jié)的協(xié)同效應制備了高響應OTFT二氧化氮傳感器,該OTFT器件在大氣環(huán)境中儲存30天后,其漏極電流對0.5 ppm二氧化氮的響應增大了超過10倍。2.極性聚合物介電層對OTFT氣敏性能影響的研究在兩層PMMA中間插入含有羥基的聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol),PVA)或聚(4-乙烯基苯酚)(poly(4-vinylphenol),PVP)形成三明治結(jié)構(gòu)介電層,基于該介電層結(jié)構(gòu)的n型OTFT,其場效應遷移率提高了10倍以上(p型為3倍),閾值電壓降低到原來的二分之一(p型為八分之一),兩種類型器件的電流開關比均提高了兩個數(shù)量級;使用PMMA/PVA/PMMA介電層結(jié)構(gòu)的六噻吩OTFT的場效應遷移率達到了0.08 cm~2/Vs,比單一PMMA介電層的提高了8倍,且暴露于大氣環(huán)境后幾乎沒有變化;以PVA為氣體聚集層制備了OTFT氨氣傳感器,0.5 ppm氨氣氛圍下,漏極電流的響應為50.3%,比純PMMA介電層器件提高了一個數(shù)量級,在施加柵極預置電壓之后,漏極電流對0.5 ppm氨氣的響應增加至66.9%。通過改變柵極預置電壓方向,可以促進氨氣的吸附和脫附過程,并表現(xiàn)出非易失的特性。3.聚合物復合薄膜對OTFT氣敏性能影響的研究系統(tǒng)分析了使用不同溶劑制備的聚苯乙烯(polystyrene,PS)和聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl),P3HT)復合薄膜中分子排列、聚集和電荷傳輸與溶劑沸點和溶解度之間的關系,制備了低成本高性能的OTFT;制備了基于P3HT/PS復合薄膜的OTFT氨氣傳感器,當PS中P3HT的有效濃度為1.6mg/mL時,器件具有與純P3HT器件相當(8 mg/mL)的氣敏性能,將該氨氣傳感器放置于大氣環(huán)境中40天后仍可對氨氣實現(xiàn)有效檢測;將空穴傳輸材料聚(9-乙烯基咔唑)(poly(9-vinylcarbazole),PVK)與P3HT混合作為OTFT的有機半導體層,制備出了高響應度的二氧化氮傳感器,該傳感器在室溫下可以通過調(diào)整柵極電壓大小實現(xiàn)兩種模式工作,當柵極電壓為0 V時,使用1:1 P3HT:PVK復合薄膜時,對30 ppm的最高響應為20000%(600 ppb為700%),幾乎是純P3HT的40倍。綜上所述,本工作針對基于OTFT的氣體傳感器氣敏響應偏低、選擇性和空氣穩(wěn)定性較差以及制備成本高等問題,利用多種方法改善OTFT界面特性,得到了高性能的OTFT氣體傳感器,為其在敏感電子學與傳感技術(shù)領域的廣泛應用打下了堅實的基礎。
【圖文】：

四種 OTFT 器件結(jié)構(gòu)圖。(a)底柵頂接觸；(b)底柵底接觸；(c)頂柵觸。（Drain 為源極電極，Source 為漏極電極，，Organic Semiconducielectric 為介電層，Gate 為柵極電極，Substrate 為器件制備所用基

圖 1-2 典型的 MOSFET 結(jié)構(gòu)圖T 實際上可以理解為是一種電學開關，通過柵極電壓（VG）來調(diào)S），在柵極電壓作用下，對應類型的載流子將會聚集在有機半，這時對源極和漏極施加適當?shù)碾妷翰睿╒
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN321.5

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