[发明专利]一种基于有机异质结结构的氨气传感器及其制备方法

说明书

本发明的一种基于有机异质结结构的氨气传感器及其制备方法属于半导体气体传感器技术领域。所述的传感器结构有：ITO玻璃基片(1)、电极(2)、P型有机半导体薄膜(3)、N型有机半导体薄膜(4)；P型有机半导体薄膜(3)和N型有机半导体薄膜(4)构成积累型异质结。制备方法包括清洗基底、沉积P型有机半导体薄膜、沉积N型有机半导体薄膜、制备电极等步骤。本发明制备的氨传感器体积小，重量轻，结构简单，在室温下可正常工作，成本低，易于大批量生产。

技术领域

本发明属于半导体气体传感器技术领域，涉及一种有机积累型异质结结构的电阻型氨气传感器及其制备方法。

背景技术

氨是化工业、制药业等行业的重要原料，也广泛用作制冷剂，是世界上产量最多的无机化合物之一。氨是碱性物质，对接触的皮肤组织具有刺激性和腐蚀性。同时氨气浓度也是肉类食品腐坏程度、养殖业环境的重要指标。由于氨气的广泛应用和危害性，以及氨气浓度对食品质量、养殖环境的映射作用，对氨气浓度的检测特别是低浓度氨气的实时精确检测十分重要。

金属氧基氨气传感器具有制备方法简单，成本低廉的特点，其电学性质会因为氨分子与吸附的环境氧之间的可逆相互作用而发生变化，但很难兼顾高灵敏度和常温工作，且响应和恢复时间较长，限制了其在极低浓度氨气快速检测领域的应用；石墨烯氨传感器极具潜力，但在灵敏传感机理和技术方面需要进一步成熟和突破；有机场效应管结构氨传感器通过源漏电流或者阈值电压的变化来对氨气传感，但其灵敏度较低，且场效应管性能影响因素众多，较差的稳定性和一致性严重影响了其准确性；光谱和质谱法虽然能够实现极低浓度气体的精确探测，但设备昂贵，操作复杂，耗时长，不适用于便携快速实时检测的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服传统氨气传感器低浓度测试时灵敏度低、工作温度高、响应恢复时间长等问题，提供一种灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、重量轻、常温工作的基于有机异质结结构的氨气传感器。

上述的技术问题通过以下的技术方案实现：

一种基于有机异质结结构的氨气传感器，结构有：ITO玻璃基片1、电极2、P型有机半导体薄膜3、N型有机半导体薄膜4；其中电极2是由在ITO玻璃基片1上沉积的一层氧化铟锡经刻蚀得到的氧化铟锡电极或利用掩模板在P型有机半导体薄膜3上沉积得到的金电极，P型有机半导体薄膜3是在ITO玻璃基片1沉积的并五苯(C₂₂H₁₄)薄膜，N型有机半导体薄膜4是在P型有机半导体薄膜3上沉积的双溴苝二酰亚胺(C₃₆H₈N₂F₁₀)薄膜，P型有机半导体薄膜3和N型有机半导体薄膜4构成积累型异质结。

本发明的一种基于有机异质结结构的氨气传感器的工作原理为利用P型有机半导体层和N型有机半导体层构成积累型异质结，在积累效应的作用下，异质结两侧的载流子浓度升高，有效填充有机薄膜中的缺陷态，形成高导区；非连续的N型双溴苝二酰亚胺在氨气的作用下生成阴离子自由基，导致其薄膜层中电子浓度的变化；电子在高导区移动能力增强，迁移率高，在界面势垒的作用下，在P型有机半导体层中激发出空穴，空穴浓度的升高将改变P型层中沟道的电阻，利用沟道形成时电阻的大幅变化来提高氨气传感的灵敏度。

一种基于有机异质结结构的氨气传感器的制备方法，步骤包括清洗基底、沉积P型有机半导体薄膜、沉积N型有机半导体薄膜、制备电极；

所述的清洗基底是指分别在99.7％乙醇、丙酮溶液中对ITO玻璃各进行15分钟超声波清洗；清洗后用去离子水冲洗残留溶剂，高纯氮气吹干ITO玻璃片，置于真空腔基片处；

所述的沉积P型有机半导体薄膜是指在真空条件(4×10^-4Pa)下，将P型有机半导体并五苯热沉积到处理后的ITO玻璃基片1上得到P型有机半导体薄膜(2)，沉积厚度30-100nm，沉积速率0.02nm/s,沉积速率通过调节有机蒸发源温度来控制，成膜厚度通过石英晶体振荡器观察；