基于P3HT与RGO的OTFT气体传感器的制备及对NH3特性研究

石海霞

摘 要：本文制备沟道宽长比为160，绝缘层厚度为195nm的有机薄膜晶体管（organic thin film transistors，OTFT） 气体传感器，有机敏感薄膜基于聚三己基噻吩（Poly（3-hexylthiophene），P3HT）还原氧化石墨烯（RGO）制备P3HT、异质结复合薄膜P3HT-RGO，并检测两种器件的电学特性以及对NH3的实时响应。结果顯示，P3HT-RGO-TFT比P3HT-TFT的IDS值增加了一个数量级，阈值电压VTH发生了正向移动（从-20V到-16V），对NH3灵敏度从8.27×10-4ppm-1上升为1.89×10-3 ppm-1。RGO的性能在敏感机制中起着关键作用。

关键词：有机薄膜晶体管（OTFT）；气体传感器；P3HT；RGO；异质结复合，NH3

一、引言

有机薄膜晶体管（Organic Thin-Film Transistor， OTFT）气体传感器相比于传统的气体传感器，不仅具有响应度大、选择性优等优点，还易于制备大面积传感器阵列，随着MEMS技术（Micro Electro-Mechanical System）的飞速发展及其在传感器领域的应用，OTFT 气体传感器已成为传感器领域里的研究热点。

聚三己基噻吩（Poly（3-hexylthiophene），P3HT）是最早应用于有机薄膜晶体管气体传感器的一种典型的导电聚合物材料。P3HT具有易处理、可室温工作的优点，其分子的共轭平面采用与衬底表面垂直的方式排列，方便了载流子的传输过程，从而提高器件的场效应迁移率。F.Liao在2005年采用旋涂工艺制备了P3HT薄膜，并对水和牛奶进行识别；J.W.Jeong在2010年研究了不同沟道宽度P3HT器件对NH3的响应情况。

石墨烯（Graphene）是一种理想的二维碳材料，由碳原子以sp2杂化轨道的形式堆积组成呈六角型苯环结构（蜂巢结构）的石墨烯平面薄膜，还原氧化石墨烯（RGO）是将氧化石墨烯（GO）通过高温还原的方法去除部分含氧官能团（羧基、环氧基、羟基）后的材料，因其具有杰出的电学特性以及大的比表面积而成为场效应晶体管理想的敏感材料。当聚合物气敏材料与RGO接触时，聚合物气敏材料可以渗透进RGO的片层中，并通过π键缠绕在RGO上，防止了石墨烯片层之间的聚合，从而形成了均匀复合的分散体系。

本文基于P3HT与RGO制备了2种有源层结构的底栅底接触的薄膜晶体管器件，分别检测其对NH3的气敏响。 结果表明，掺杂了RGO的 P3HT-RGO-TFT比纯P3HT-TFT不仅改善电学性能：IDS值增加了一个数量级，阈值电压VTH发生正向移动，而且还增大了对气体的响应率，且恢复性也得到改善。此外， P3HT-TFT基线漂移现象较为严重，P3HT-RGO-TFT基线漂移现象明显得到减弱。

二、实验

（一）器件的制备

本文在实验中的衬底材料选用的重掺杂（n+）单晶硅外延片，利用外延工艺生长的外延层可以很好地控制电阻率，从而容易控制阈值电压，解决了闭锁问题。质量好的硅外延片还具有纯度高、厚度均匀性好、缺陷少等优势。绝缘层材料为湿热氧化制备的SiO2。电极材料选用Ti/Au，经过磁控溅射、光刻、湿法刻蚀等工艺最终将电极微图案制备在绝缘层上，电极结构是叉指电极形式，如图1所示，沟道长度为25μm，宽度为4000μm，选用Au是由于在金属电极材料里面它的功函数比较高（5.1eV），与制备p沟道型器件相匹配，而制备20nm的Ti的作用是过渡层，为了让Au更好地附着在绝缘层SiO2薄膜上，Au的厚度是50nm。

切片封装是制备电极的最后一步，为实现测试气敏性能需将4寸硅外延片用硅刀切成尺寸大小为1650μm×3150μm的单元小芯片，封装的步骤是：源极和漏极利用点焊的方法由硅铝丝分别从叉指电极的两边引出，栅极用导电胶由硅铝丝从硅外延片的底端引出，三个电极的硅铝丝都与插座的引脚连接，图2为切片封装后的单元器件实物，五个引脚的中间3个对应源极、栅极、漏极，白色的就是导电胶，用来固定电极和防止细小的硅铝丝断裂。

（二）有机薄膜的制备

用药勺在微量计量装置上称取12mg的P3HT按3mg/ml溶解于三氯甲烷中（CHCl3），玻璃棒搅拌后依次用塑料保鲜膜、锡箔纸将装P3HT溶液的烧杯口密封，放置超声清洗器中超声5min（CHCl3易挥发）后即得到亮橙色的纯P3HT溶液，超声功率调节为90Hz；用量筒量取0.1ml的0.4wt.%的RGO水分散液（购买与中科院成都有机化学责任公司），加入9.9ml的去离子水稀释得到0.004wt.%的 RGO水分散液，最后将密封、超声30min使其均匀分散即得到稀释100倍后的RGO水分散液。将无损坏的薄膜晶体管依次经过丙酮、乙醇、去离子水超声5min，打开氮气瓶用N2吹干置于培养皿中。

安装气喷装置，实验中同样采用气喷方式将P3HT与P3HT-RGO薄膜涂覆在器件上，将RGO专用喷笔固定在气喷架上，调节喷笔高度使喷笔固定在喷射高度14cm处，将薄膜晶体管固定于白纸上，对准聚焦后，使用吸液球和移液管吸取0.2ml 的RGO水分散液放于喷笔的喷勺里，将液体喷在OTFT器件的表面使其沉积形成一层RGO薄膜。换用P3HT专用喷笔，重新对装置进行同样的调整，用移液管取0.3ml 的P3HT液体涂覆在已沉积0.2ml RGO薄膜的器件上，即制备得到P3HT-RGO分层OTFT器件，单纯的P3HT-TFT只需量取0.5ml的P3HT容易让进行涂覆。

实验完成后，清洗烧杯、量筒、喷笔、移液管等，并归位用到的所有器材，最后将沉积好薄膜的器件放入烘箱（100℃）中烘30min取出。图3是制备完成的OTFT三维结构图。

三、结论

基于P3HT与RGO分别制备纯P3HT-TFT、异质结复合P3HT-RGO-TFT，并研究了器件的电学性能以及对NH3的气敏特性。结果表明，掺杂了RGO的P3HT-RGO-TFT比P3HT-TFT的开关电流比（Ion/Ioff）增大，阈值电压VTH发生正向移动，NH3灵敏度从8.27×10-4ppm-1上升为1.89×10-3 ppm-1。可见，RGO的性能在敏感机制中起着关键作用。可解释为RGO中石墨化C原子还可以为NH3的吸附提供更多的活性位，因此RGO在底层的P3HT-RGO-TFT提高了对NH3的气敏性能。