基于P3HT與RGO的OTFT氣體傳感器的制備及對(duì)NH3特性研究

石海霞

摘 要：本文制備溝道寬長(zhǎng)比為160，絕緣層厚度為195nm的有機(jī)薄膜晶體管（organic thin film transistors，OTFT） 氣體傳感器，有機(jī)敏感薄膜基于聚三己基噻吩（Poly（3-hexylthiophene），P3HT）還原氧化石墨烯（RGO）制備P3HT、異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜P3HT-RGO，并檢測(cè)兩種器件的電學(xué)特性以及對(duì)NH3的實(shí)時(shí)響應(yīng)。結(jié)果顯示，P3HT-RGO-TFT比P3HT-TFT的IDS值增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，閾值電壓VTH發(fā)生了正向移動(dòng)（從-20V到-16V），對(duì)NH3靈敏度從8.27×10-4ppm-1上升為1.89×10-3 ppm-1。RGO的性能在敏感機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）；氣體傳感器；P3HT；RGO；異質(zhì)結(jié)復(fù)合，NH3

一、引言

有機(jī)薄膜晶體管（Organic Thin-Film Transistor， OTFT）氣體傳感器相比于傳統(tǒng)的氣體傳感器，不僅具有響應(yīng)度大、選擇性優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，還易于制備大面積傳感器陣列，隨著MEMS技術(shù)（Micro Electro-Mechanical System）的飛速發(fā)展及其在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，OTFT 氣體傳感器已成為傳感器領(lǐng)域里的研究熱點(diǎn)。

聚三己基噻吩（Poly（3-hexylthiophene），P3HT）是最早應(yīng)用于有機(jī)薄膜晶體管氣體傳感器的一種典型的導(dǎo)電聚合物材料。P3HT具有易處理、可室溫工作的優(yōu)點(diǎn)，其分子的共軛平面采用與襯底表面垂直的方式排列，方便了載流子的傳輸過(guò)程，從而提高器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。F.Liao在2005年采用旋涂工藝制備了P3HT薄膜，并對(duì)水和牛奶進(jìn)行識(shí)別；J.W.Jeong在2010年研究了不同溝道寬度P3HT器件對(duì)NH3的響應(yīng)情況。

石墨烯（Graphene）是一種理想的二維碳材料，由碳原子以sp2雜化軌道的形式堆積組成呈六角型苯環(huán)結(jié)構(gòu)（蜂巢結(jié)構(gòu)）的石墨烯平面薄膜，還原氧化石墨烯（RGO）是將氧化石墨烯（GO）通過(guò)高溫還原的方法去除部分含氧官能團(tuán)（羧基、環(huán)氧基、羥基）后的材料，因其具有杰出的電學(xué)特性以及大的比表面積而成為場(chǎng)效應(yīng)晶體管理想的敏感材料。當(dāng)聚合物氣敏材料與RGO接觸時(shí)，聚合物氣敏材料可以滲透進(jìn)RGO的片層中，并通過(guò)π鍵纏繞在RGO上，防止了石墨烯片層之間的聚合，從而形成了均勻復(fù)合的分散體系。

本文基于P3HT與RGO制備了2種有源層結(jié)構(gòu)的底柵底接觸的薄膜晶體管器件，分別檢測(cè)其對(duì)NH3的氣敏響。 結(jié)果表明，摻雜了RGO的 P3HT-RGO-TFT比純P3HT-TFT不僅改善電學(xué)性能：IDS值增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，閾值電壓VTH發(fā)生正向移動(dòng)，而且還增大了對(duì)氣體的響應(yīng)率，且恢復(fù)性也得到改善。此外， P3HT-TFT基線漂移現(xiàn)象較為嚴(yán)重，P3HT-RGO-TFT基線漂移現(xiàn)象明顯得到減弱。

二、實(shí)驗(yàn)

（一）器件的制備

本文在實(shí)驗(yàn)中的襯底材料選用的重?fù)诫s（n+）單晶硅外延片，利用外延工藝生長(zhǎng)的外延層可以很好地控制電阻率，從而容易控制閾值電壓，解決了閉鎖問(wèn)題。質(zhì)量好的硅外延片還具有純度高、厚度均勻性好、缺陷少等優(yōu)勢(shì)。絕緣層材料為濕熱氧化制備的SiO2。電極材料選用Ti/Au，經(jīng)過(guò)磁控濺射、光刻、濕法刻蝕等工藝最終將電極微圖案制備在絕緣層上，電極結(jié)構(gòu)是叉指電極形式，如圖1所示，溝道長(zhǎng)度為25μm，寬度為4000μm，選用Au是由于在金屬電極材料里面它的功函數(shù)比較高（5.1eV），與制備p溝道型器件相匹配，而制備20nm的Ti的作用是過(guò)渡層，為了讓Au更好地附著在絕緣層SiO2薄膜上，Au的厚度是50nm。

切片封裝是制備電極的最后一步，為實(shí)現(xiàn)測(cè)試氣敏性能需將4寸硅外延片用硅刀切成尺寸大小為1650μm×3150μm的單元小芯片，封裝的步驟是：源極和漏極利用點(diǎn)焊的方法由硅鋁絲分別從叉指電極的兩邊引出，柵極用導(dǎo)電膠由硅鋁絲從硅外延片的底端引出，三個(gè)電極的硅鋁絲都與插座的引腳連接，圖2為切片封裝后的單元器件實(shí)物，五個(gè)引腳的中間3個(gè)對(duì)應(yīng)源極、柵極、漏極，白色的就是導(dǎo)電膠，用來(lái)固定電極和防止細(xì)小的硅鋁絲斷裂。

（二）有機(jī)薄膜的制備

用藥勺在微量計(jì)量裝置上稱取12mg的P3HT按3mg/ml溶解于三氯甲烷中（CHCl3），玻璃棒攪拌后依次用塑料保鮮膜、錫箔紙將裝P3HT溶液的燒杯口密封，放置超聲清洗器中超聲5min（CHCl3易揮發(fā)）后即得到亮橙色的純P3HT溶液，超聲功率調(diào)節(jié)為90Hz；用量筒量取0.1ml的0.4wt.%的RGO水分散液（購(gòu)買(mǎi)與中科院成都有機(jī)化學(xué)責(zé)任公司），加入9.9ml的去離子水稀釋得到0.004wt.%的 RGO水分散液，最后將密封、超聲30min使其均勻分散即得到稀釋100倍后的RGO水分散液。將無(wú)損壞的薄膜晶體管依次經(jīng)過(guò)丙酮、乙醇、去離子水超聲5min，打開(kāi)氮?dú)馄坑肗2吹干置于培養(yǎng)皿中。

安裝氣噴裝置，實(shí)驗(yàn)中同樣采用氣噴方式將P3HT與P3HT-RGO薄膜涂覆在器件上，將RGO專用噴筆固定在氣噴架上，調(diào)節(jié)噴筆高度使噴筆固定在噴射高度14cm處，將薄膜晶體管固定于白紙上，對(duì)準(zhǔn)聚焦后，使用吸液球和移液管吸取0.2ml 的RGO水分散液放于噴筆的噴勺里，將液體噴在OTFT器件的表面使其沉積形成一層RGO薄膜。換用P3HT專用噴筆，重新對(duì)裝置進(jìn)行同樣的調(diào)整，用移液管取0.3ml 的P3HT液體涂覆在已沉積0.2ml RGO薄膜的器件上，即制備得到P3HT-RGO分層OTFT器件，單純的P3HT-TFT只需量取0.5ml的P3HT容易讓進(jìn)行涂覆。

實(shí)驗(yàn)完成后，清洗燒杯、量筒、噴筆、移液管等，并歸位用到的所有器材，最后將沉積好薄膜的器件放入烘箱（100℃）中烘30min取出。圖3是制備完成的OTFT三維結(jié)構(gòu)圖。

三、結(jié)論

基于P3HT與RGO分別制備純P3HT-TFT、異質(zhì)結(jié)復(fù)合P3HT-RGO-TFT，并研究了器件的電學(xué)性能以及對(duì)NH3的氣敏特性。結(jié)果表明，摻雜了RGO的P3HT-RGO-TFT比P3HT-TFT的開(kāi)關(guān)電流比（Ion/Ioff）增大，閾值電壓VTH發(fā)生正向移動(dòng)，NH3靈敏度從8.27×10-4ppm-1上升為1.89×10-3 ppm-1?？梢?jiàn)，RGO的性能在敏感機(jī)制中起著關(guān)鍵作用。可解釋為RGO中石墨化C原子還可以為NH3的吸附提供更多的活性位，因此RGO在底層的P3HT-RGO-TFT提高了對(duì)NH3的氣敏性能。