高选择性有机单晶微纳场效应晶体管气体传感器及其响应机理研究

Organic field effect transistor gas sensors have attracted much attention, because of several advantages over resistors, such as high sensitivity，easy to integrated and reversible multi-parametric, apart from the great advantage of being operated at room temperature. However, most of the organic field effect transistor gas sensor very sensitive to surrounding atmosphere，like as resistance type gas sensor. Therefore, the poor selectivity is still to be solved problem and then prevented the practical application of the field-effect transistor gas sensors. In this project, sub-micro/nanometer-sized CuPc single crystalline field effect transistor as multi-parametric sensors and their response mechanism are investigated. A combination of multi-parameter and true table will provides a new, simple, efficient way for solving the selectivity of organic field effect transistor gas sensor. Furthermore, we are trying to detecting selectively three main toxic and environment pollution gases such as NO2, NO and SO2 in the atmosphere by this method. We are also investigating the sensors response mechanism by comparing the response properties of the solid and gas dielectric organic field effect transistor gas sensor.

有机半导体场效应晶体管气体传感器相比于电阻式器件，由于具有灵敏度高、室温工作、易于集成以及独立的多参数等优点在气体传感器领域一直倍受人们关注。 然而，大多数有机半导体场效应晶体管气体传感器对周围气氛非常敏感，因此像电阻式气体传感器一样，同样面临着选择性问题。这限制了有机场效应晶体管气体传感器在更多领域的拓展应用。本项目拟在前期工作的基础上，通过酞菁铜单晶微纳场效应晶体管的多参数与真值表相结合，探索解决半导体式气体传感器选择性的新的途径。通过此方法甄别出不同浓度的NO2、NO以及SO2等大气中共存的、难以分辨的三种主要的有毒及环境污染性气体。并通过固态绝缘层与空气间隙绝缘层场效应气体传感器对不同气体的气敏响应对比，结合微纳单晶材料的优势，进行有机场效应晶体管气体传感器的响应机理研究。

有机微纳单晶场效应晶体管（FET）式气体传感器,不仅具有有机薄膜FET式气体传感器的优点，,而且微纳结构有利于减小传感器体积，提高集成度，降低功耗和成本。除此之外，单晶的高度有序排列、缺陷少等优点有利于探索材料和传感器的本征电学特性。我们通过有机FET和微纳单晶材料的优势相结合，成功构筑了灵敏度高、选择性好的气体传感器并探讨其响应机理。首先，通过气相输运法制备出酞菁铜微纳单晶材料，进而开展了基于酞菁铜微纳单晶FET式气体传感器的构筑和气敏特性研究。成功制备基于PMMA、SiO2和空气间隙等3种栅极绝缘层的微纳单晶FET式气体传感器，并研究了这三种结构器件对NO2、NO、H2S等空气污染物的气敏特性：1）在室温下，空气间隙绝缘层器件对H2S的最低检测限（LOD）为5 ppm，结果与已报道的酞菁铜薄膜FET式气体传感器的100 ppm相比LOD减少了20倍。2）而SiO2固态绝缘层的器件，通过栅极电压可以控制器件灵敏度，在阈值电压附近获得了最高的灵敏度，对1 ppm NO2为1370%，当浓度到20 ppm时，高达1.3×106 %。在以上基础上，进行了不同浓度的NO2、NO、H2S等3种气体对不同绝缘层器件的阈值电压、关态电流、迁移率、亚阈值斜率、开关闭等FET参数的影响研究，并研究其响应机理。通过综合分析FET的多参数变化率，获得了气体甄别真值表，分别给三种气体指纹特征，如NO为1，0，1，1，而H2S为1，0，1，0，这证实了单个FET器件的多参数来甄别气体的可行性。综上所述，探索了高灵敏度、选择性好的微纳单晶FET式气体传感器，并探讨不同绝缘层的FET式气体传感器的响应机理，为高性能FET式气体传感器研究提供新的思路。项目资助已发表3篇SCI论文和2篇核心期刊以及申请5件中国专利（其中2件已授权）。待发表2篇学术论文，申请2件中国专利。