基于有机场效应晶体管的室内挥发性苯系物气体传感器

Detection of indoor volatile benzene serial material is a hot topic closely related to public health. By now, meteorological chromatographic analysis is the only reliable detection method for this pollutant, which has the deficiencies including large volume, long detection period and high cost, limited the application on the urgent need of rapid detection. In order to achieve accurate and fast measurement, the applicant suggests: π conjugated adsorption between conducting polymer and benzene serial material could improve the transducer sensing properties, and the oriented conducting polymer film would reduce the power consumption. Hence, aiming at the high sensitivity, strong selectivity and low power consumption organic field effect transistor (OFET) based gas sensor, the sensing material and fabrication method should be carefully studied with the signal amplification action bring by OFET. The adsorption process and sensing mechanism between poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and volatile benzene serial materials will be investigated. Organic small-molecule epitaxy will be applied to fabricate highly oriented P3HT film on SiO2 substrates. The influence of power consumption bring by oriented P3HT film will also be compared, and the surface modification material for SiO2 substrates will be further optimized. This program will bring new thought and techniques for non-resistor controlled volatile benzene serial gas sensor, and could establish foundation for household air pollution monitor in the future.

室内挥发性苯系物检测是关系到公众健康的热点问题，目前只能依赖气相色谱技术，其设备体积大、检测周期长、成本高，无法满足迫切的快速检测需求。为实现室内苯系物浓度的精确低成本检测，申请人提出: 导电聚合物材料与苯系物之间的π共轭吸附效应能够有效提升传感器件性能，有序排布的导电聚合物薄膜也有助于降低器件功耗。因此，应当从敏感材料选择及器件制备工艺角度出发，结合有机场效应晶体管（OFET）信号放大作用，将高灵敏度、高选择性、低功耗的苯系物气体传感器作为研究目标，探索聚3-己基噻吩（P3HT）与苯系物之间的吸附过程及敏感机制。利用小分子外延生长法在二氧化硅基板表面制备高度有序的P3HT薄膜，分析有序薄膜结构及介电层修饰工艺优化对器件能耗产生的影响。本项目将为制备非电阻控制型苯系物气敏传感器件提供新思路和新方法,为未来家用空气质量监控器件的发展奠定基础。

当前，挥发性苯系物的排放已造成了严重的环境问题，威胁人类的健康。因此，检测ppb量级苯系物分子的浓度对于评价室内外空气质量和人体健康状况具有重要意义。传统苯系物分子检测的方法是气相色谱，灵敏度高、选择性强、可以实现定量分析，但也存在仪器体积大、成本高、检测周期长等问题，无法满足在环境中进行快速实时检测的需求。因此，研发一种可以实现微型便携、高灵敏度、快速检测的苯系物气体传感器具有重要的应用价值。.传统的气体传感器主要以金属氧化物半导体材料为主，但针对苯系物检测往往存在灵敏度不足或特异性较差的问题。与无机材料不同，有机半导体材料拥有丰富的官能团，与苯系物之间存在多种非共价相互作用，如π-π作用、氢键、电荷转移等，在解决部分苯系物气体传感器灵敏度与选择性的问题上可以发挥意想不到的重要作用。有机场效应晶体管（Organic field-effect transistor，OFET）是一种发展迅速的新型器件，具有制作简单、低成本和可印刷等优点，近年来受到了相关研究人员的广泛关注。本文制作了一系列基于有机半导体材料的OFET气体传感器用于检测典型的苯系物气体，并通过搭建的动态气体测试系统，验证了OFET传感器对甲苯气体的动态检测能力。具体包括：.1. 为了解决部分苯系物特异性不足的问题，利用含共轭结构的有机半导体分子与苯系物之间π共轭吸附来改善特异性，制作了基于P3HT的OFET气体传感器，研究了OFET器件的电学特性和对苯类气体的检测能力。研究结果表明，π共轭吸附可以有效改善苯系物检测特异性不足的问题。.2. 在静态测试研究基础上，为了模拟自然环境下的动态检测过程，搭建了动态气体检测系统，对甲苯气体进行了动态测试。研究结果表明，OFET气体传感器在敏感材料和器件结构等方面需要继续优化以满足实际应用的需求。