【摘 要】
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气体传感器在工业废气排放监测、空气污染检测、疾病早期诊断领域展现出良好的发展和应用前景。有机场效应晶体管(OFET)气体传感器因其材料来源广泛、多参数响应、制造工艺简单、室温操作、低成本等优点受到了广泛关注。OFET气体传感器多采用顶接触结构,其电极需要真空蒸镀导致制备效率低;底接触结构的OFET气体传感器虽然可通过微纳加工技术制备,但存在响应度低、检测限高等问题。因此,研制具备高响应度、低检测限
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气体传感器在工业废气排放监测、空气污染检测、疾病早期诊断领域展现出良好的发展和应用前景。有机场效应晶体管(OFET)气体传感器因其材料来源广泛、多参数响应、制造工艺简单、室温操作、低成本等优点受到了广泛关注。OFET气体传感器多采用顶接触结构,其电极需要真空蒸镀导致制备效率低;底接触结构的OFET气体传感器虽然可通过微纳加工技术制备,但存在响应度低、检测限高等问题。因此,研制具备高响应度、低检测限并且制备效率高的OFET气体传感器备受关注。本文针对现有OFET气体传感器响应度低、检测限高、制备效率低等问题,开展了基于复合改性聚(3-己基噻吩-2,5-二基)(P3HT)有机敏感膜的OFET气体传感器研制工作,以提高传感性能。采用单面氧化n型重掺杂硅片作为基底,通过光刻法制备源漏叉指电极以提高制备效率。针对二氧化氮(NO2)气体检测,选择P3HT为敏感膜材料,构建底栅底接触的OFET气体传感器,其对NO2有良好的线性响应、重复性和选择性。检测线性范围为10~40 ppm,对10 ppm NO2的响应度为56%,检测限低至100 ppb。在P3HT中添加空穴传输材料聚(9-乙烯基咔唑)(PVK),通过喷涂沉积方式制备了不同共混比例的P3HT/PVK敏感膜OFET气体传感器。共混比例为1:1的OFET传感器对NO2的气敏响应最大,对10 ppm NO2的响应度为145%,相比纯P3HT敏感膜传感器有明显提升。同时PVK材料的高温稳定性使得共混敏感膜OFET传感器在25~90℃温度范围内有良好的传感响应,为较高环境温度下的气体检测提供了一种新选择。通过静电纺丝PVA纳米纤维,再浸涂P3HT溶液的方法制备了P3HT/PVA静电纺丝敏感膜OFET气体传感器。纳米纤维可以有效增大敏感膜的比表面积,增加气体分子的吸附位点,从而提升传感响应。纺丝敏感膜OFET传感器对10 ppm NO2的响应度最高达251%,检测限为75 ppb,相比共混敏感膜OFET传感器有更进一步的提升。本文所研制的单面氧化底栅底接触OFET气体传感器,结合共混和构建纳米纤维结构等不同改性方法制备的P3HT复合有机敏感膜,实现了NO2气体的高效传感检测,在响应度、检测限、制备效率、以及测试简易性方面有较大提升。相关研究为OFET气体传感器的研发提供了新的技术途径和支撑,对于OFET气体传感器的发展和实际应用具有重要意义。
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