基于有机半导体材料的有机场效应晶体管化学传感器

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 基于有机半导体材料的有机场效应 晶体管化学传感器 摘 要：化学传感器是基于有机 半导体材料的有机场效应晶体管的一个 重要的应用方向。本文介绍了有机场效 应晶体管化学传感器的工作原理和优点， 总结了近年来有机场效应晶体管化学传 感器的发展过程、优化方法，以及此类 器件在气体传感、液体传感等领域的不 同应用方向。并对有机场效应晶体管化 学传感器在将来的阵列化、多功能、柔 性化等方向的发展趋势做了展望。 中国论文网 /8/view-12899437.htm 关键词：有机半导体；有机场效 应晶体管；化学传感器；柔性电子器件 中图分类号：O62 文献标识码： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 A 有机半导体是基于有机共轭分子 的一类具有半导体电学特性的有机物， 根据其分子类型可以分为小分子有机半 导体和聚合物半导体。科研工作者们围 绕基于有机半导体材料的电子器件展开 了大量的研究，认为有机半导体将开辟 电子器件的新时代有机电子器件时 代。目前为止，大量的有机半导体材料 被发现，已经形成了一个巨大的半导体 材料体系。据不完全统计，已发现的有 机半导体材料已经超过 700 种。和传统 的无机半导体器件相比，有机半导体继 承了有机物的特性，因此拥有一些优点， 例如：有机半导体结构的多样性允许通 过分子设计实现材料的功能化；有机半 导体材料具有柔韧性，可以利用柔性基 底，制备全柔性器件，进而得到柔性显 示屏、柔性集成电路、电子纸等可卷曲、 可折叠产品；大部分有机半导体材料可 采用低成本易操作的溶液法进行器件的 制备，如喷墨打印、旋涂、滴注、印刷 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 等，有利于大规模制备集成电路，制备 成本低等。由于有机半导体的这些特点， 因而科研机构广泛地研究其用在有机发 光器件、有机光检测器、有机太阳能电 池、压力传感器、有机存储设备、柔性 平板显示、记忆组件、大规模集成电路、 电子纸等众多领域的潜在应用前景。 有机场效应晶体管是以有机半导 体材料作为核心的晶体管器件，其器件 结构如图 1 所示，包含半导体层，介电 层以及 3 个终端（源极，漏极和栅极） 。 由于有机半导体作为有机物本身的物理 和化学特性，因此其导电能力容易随着 外部的环境而变化，这一特性使得有机 场效应晶体管在化学传感中有着良好的 应用前景。 随着科学技术的发展，以及人类 对生活环境和生活水平的要求的提高， 能有效探测各类有害化学物质的传感器 在国防军事，工业生产，环境监控以及 医疗卫生等方面有着越来越重要的作用。 而近年来，关于食品卫生安全方面的问 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 题和隐患正越来越受到人们的重视，比 如蔬菜水果上的农药残留，奶粉中的三 聚氰胺、过期食品的滥用，以及有害化 学添加剂在食品中的使用等一系列事件 和现象，更使得能方便有效地检测食品 安全的传感器成为当前亟待研究的重要 课题。常用的化学检测仪器通常成本高， 体积大，操作复杂，无法完全满足当前 的实际需要。尤其是在人们的日常生活 中需要低成本易操作的检测方法，现有 的检测仪器和手段的应用受到很多方面 的限制。因此，研究一种低成本，操作 简单，携带方便的有害物质探测传感器 具有非常重大的科研意义。 基于有机场效应管的传感器有着 成本低，简单轻便，检测方便快速等诸 多优点。能极大地弥补大型化学检测仪 器的不足，适合在日常生活中广泛应用， 成为对现有化学检测仪器和手段的有效 补充。更重要的是，可以通过化学合成 的方法制备合成带有特定分子基团和分 子结构的有机半导体材料，在保持材料 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 的电学性能的同时，控制改变材料的化 学特性，从而大大提高有机半导体材料 对特定化学物质的探测灵敏度和选择性。 此外，基于晶体管结构的传感器能直接 以输出电流作为传感器的输出信号，不 需要进行信号转换，因此结构简单，非 常有利于传感器的小型化。相对而言， 许多其他类型的传感器需要专门的附加 器件把某种物理量或者化学量转化为电 信号进行测量，使得整体的传感器器件 结构相对复杂，不利于在日常生活中大 范围地使用。而且基于晶体管结构的传 感器能提供更多的关于探测目标物质的 信息，从而得到更准确更具选择性的探 测。 有机场效应管化学传感器的传感 探测工作原理就是利用被检测物分子与 有机半导体层之间的物理、化学反应来 实现检测。例如利用被检测物质和有机 半导体层的电荷相互作用、电荷掺杂等 相互作用，引起有机场效应晶体管中的 电荷的移动速度、浓度的改变，从而改 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 变器件的输出电流特征，从而实现对化 学物质的辨识性和定量化检测，因此提 高传感灵敏度和选择性的基本策略是加 强待检测物与半导体特异性相互作用。 早期有机场效应晶体管化学传感 器的研究主要集中气体传感中。近些年， 有机场效应晶体管的研究被拓展到了液 体传感中。比如斯坦福大学的鲍哲南教 授和她领导的团队报道了能在水溶液环 境下工作的基于有机半导体薄膜晶体管 的传感器。当前国际上现有研究中的有 机场效应晶体管化学传感器基本都基于 薄膜晶体管结构，然而有机半导体薄膜 结构的固有特性限制了化学传感器灵敏 度和反应速度进一步提高的空间。因为 探测目标分子需要在有机半导体薄膜中 扩散传输，并在所有可吸附点达到浓度 平衡后才能使有机场效应晶体管化学传 感器的反应达到最高点。因此有机场效 应晶体管中有机半导体薄膜的厚度在近 几年的研究中不断被减小，以减小探测 目标分子在扩散穿透薄膜所需的时间， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 从而提高传感器的灵敏度和反应速度。 科研人员曾研究开发了超薄的有机半导 体薄膜晶体管传感器，最薄的有机半导 体薄膜达到了几个纳米厚度，已经接近 了这种薄膜结构的极限，无法再通过减 小有机半导体薄膜厚度来进一步提高传 感器性能。 未来的有机场效应晶体管，其发 展方向主要有阵列化、多功能、柔性化 等方向。阵列化的有机场效应晶体管使 用多个同类或不同类的有机半导体和晶 体管单元，将他们整合在一个器件上， 这样不同的器件会对每种化学探测目标 有不同的反应，从而形成一N 反应图 谱，以此能有效提高器件的探测选择性 和准确度。多功能化指器件具备除了化 学传感以外不同的探测能力，例如对温 度和压力的探测。柔性化的有机场效应 晶体管利用有机半导体本身的柔性优点， 制备整体能弯曲变形的传感器薄膜，可 以在电子皮肤等领域有潜在应用。此外， 进一步提高有机场效应晶体管化学传感 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 器的长期稳定性也是一个重要的发展方 向。而从传感器种类方面看，有机场效 应晶体管传感器的种类