柔性OTFT气体传感器的制备及特性研究

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近年来,各种不同的气体传感器源源不断地出现,如电阻型、场效应晶体管型、石英晶体微天平型。其中有机薄膜晶体管具有质轻、价廉、与柔性基底兼容等优点,已成为广大研究者关注的热点,并广泛应用在传感器、智能卡、显示背板等领域。有机薄膜晶体管作为气体传感器还具有灵敏度可调和多参数(包括载流子迁移率、开关电流比、阈值电压等)测量等优点,在气体传感领域有重要地位。一般有机薄膜晶体管气体传感器都是制备在玻璃衬底上或硅衬底上的,因此不能弯曲更不能应用于柔性电子设备中。同时,制备有机薄膜晶体管广泛采用的真空蒸镀技术增加了制备成本和复杂性。因此十分需要具有良好柔韧性、低成本、优良气敏特性的有机薄膜晶体管气体传感器。本文采用溶液制备工艺,在柔性PEN-ITO导电薄膜制备了柔性OTFT气体传感器,用于室温检测二氧化氮,主要研究内容如下:  1. 制备并研究了柔性 OTFT 二氧化氮气体传感器,其中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)旋涂在 PEN-ITO 导电薄膜上作为绝缘层,气喷制备的聚三己基噻吩(P3HT)薄膜为有源层。研究了PMMA溶液浓度(绝缘层厚度)、P3HT溶液气喷量(有源层厚度)、弯曲次数对器件电学性能和气敏性能的影响。通过参数优化得到载流子迁移率为9.51×10-3 cm2/Vs、对NO2灵敏度为0.169 ppm?1、高选择性的柔性OTFT气体传感器(气喷量1 ml,PMMA浓度30 mg/ml)。但柔性OTFT气体传感器在ε=0.23%的拉伸应力作用下弯曲500次后对NO2的响应从12.9逐渐减小到了1.32,机械柔韧性亟需提高。  2. 制备并研究了以 P3HT 和石墨烯的复合薄膜或分层薄膜为有源层的柔性OTFT二氧化氮气体传感器。研究了P3HT-石墨烯复合薄膜的质量比和气喷量、不同薄膜结构、弯曲次数对器件电学性能和气敏性能的影响。结果表明分层薄膜器件的电学性能更佳,而复合薄膜器件的气敏性能更佳。石墨烯的比表面积大,掺杂后提高了器件对二氧化氮的响应。P3HT与石墨烯质量比为240:1、气喷量为1 ml的复合薄膜器件对NO2灵敏度为0.0609 ppm-1,具有良好重复性,在ε=0.23%的拉伸应力作用下弯曲 500 次后气敏响应仅减小了 30%,相对未掺杂器件的机械柔韧性有一定提高。  本文提供了一种制备低成本柔性 OTFT 气体传感器的方法,也许可将其集成在柔性电子设备上用于空气质量的检测。
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