聚合物场效应晶体管传感器在有毒有害气体检测中的应用

It will be of great meaning to take precautions against harmful gases through real-time detection of air quality. In this project, we will mainly investigate the detection of four harmful gases in the air (H2S, HCHO, benzene, toluene) by the use of four semiconducting polymers (spirobifluorene-based conjugated polymer and its analogues). We anticipate achieving high-performance sensors on the basis of polymer field-effect transistors. At the same time, we will summarize the designing and synthesizing rules to obtain high-performance conjugated polymers for gas detection.

实时检测空气质量并提前做好防护是预防有毒有害气体损害人类身体健康的有效措施。本项目将研究含螺二芴结构单元及其类似结构单元的四种聚合物分子在检测硫化氢、甲醛、苯和甲苯四种有毒有害气体中的应用，并将制备高性能聚合物场效应晶体管气体传感器，总结高性能有机半导体聚合物传感材料分子的设计合成规律。

人类社会快速发展进行的各种生产和生活活动排放了过量硫化物、甲醛、苯及甲苯等有毒有害气体，危害人的身体健康。有机聚合物场效应晶体管气体传感器具有灵敏度高、成本低，柔性好、质量轻等优点，在制备可随身携带/可穿戴的气体传感器方面有潜在应用。已报道的聚合物晶体管传感器可检测的化学气体种类比较少，且传感机理还不明确。本项目中将研究含螺二芴结构单元及类似结构单元的四种有机半导体聚合物在晶体管传感器中的应用，将检测大气中经常存在的硫化氢、甲醛、苯、甲苯四种有毒有害气体，制备高性能聚合物晶体管传感器，总结高性能聚合物传感材料的设计合成规律。.在本项目中，研究目标 (1) 研究高性能硫化氢气体传感器已经实现。四种聚合物的晶体管已经成功制备，实验发现含螺二芴结构单元的聚合物晶体管对硫化氢气体的响应明显高于三苯胺结构单元、二苯胺结构单元及芴结构单元的聚合物。说明螺二芴结构的大体积空间结构，使得聚合物薄膜中分子间孔隙大，有利于气体在聚合物薄膜中的扩散。研究目标 (2) 新型聚合物场效应晶体管传感器的制备与传感机理研究也已经基本完成。我们用传感性能最好的含螺二芴结构单元的聚合物晶体管检测了苯、甲苯和甲醛三种有毒有害气体，实验发现三种气体传感器都能成功工作，但是响应信号明显弱于硫化氢气体传感器。为探索传感器的工作机理，我们还检测了单质硫、十二硫醇和氨气三种气体，总结实验结果发现含螺二芴结构单元的聚合物薄膜中分子孔隙比较大，气体分子能扩散到聚合物内部，薄膜中分子排列、气体分子体积都能影响气体传感器的传感性能。研究目标 (3) 人工智能电子传感器的初步研究也已经实现。我们以含螺二芴结构单元的聚合物晶体管为基础，对不同浓度硫化氢的气体进行检测，分析整理传感器的迁移率、电流开关比、阈值电压和亚阈值斜率的变化，与ANN模型结合，能准确预测待检测气体的浓度，检测浓度的误差仅在5ppm以内，精准度非常高。