基于功能化有机半导体纳米线结构的有机晶体管及其在有害化学物质探测传感器上的应用

This project will focus on the design and fabrication of novel organic field-effect transistors based on functionalized organic semiconductor nanowires, as well as the application of the organic transistors in chemical detection. With the novel organic semiconductor nanowire structure, devices can adopt the high selectivity of sensors based on organic thin-film transistors, as well as the high sensitivity of sensors based on carbon nanotubes and inorganic nanowires. The electronic and chemical properties of devices can be optimized by modifying the nanowire dimension and morphology. Sensor array will be fabricated using different organic semiconductors with desired side chains functional groups. Diverse responses can then be obtained from different transistors upon exposure to individual analyte. Such a unique response pattern can greatly enhance the sensitivity and selectivity of the sensor, and hence can make the sensor the tool of low-cost and reliable detection of hazard chemicals.

本项目将设计制备基于功能化的有机半导体纳米线结构的有机晶体管, 并研究其在化学探测传感器,尤其是用于食物安全检测的传感器方面的应用。采用独特的有机半导体纳米线结构使得器件既能传承薄膜有机晶体管化学传感器的高选择性、易于功能化等优点，又能结合纳米线/碳纳米管化学传感器的高表面积、高灵敏度的优点，从而达到传感器性能的最优化。 通过对有机半导体纳米线尺寸形貌的控制，可以调控器件的电学和化学性能。 通过合成制备不同的有机半导体材料以及多样化的有机半导体分子侧链官能团， 可以进一步制备基于一系列化学性能各异的有机纳米线晶体管的传感器阵列。 阵列中的不同有机晶体管会对同一样品有不同的反应， 形成针对每一个样品的独特反应图谱， 能进一步提升器件的灵敏度和选择性，从而实现有机半导体纳米线晶体管对有害化学物质的低成本而又简单可靠的探测。

本项目从有机晶体管的结构、形貌调控出发，研究制备了一系列基于有机半导体晶体管阵列的传感器，并将其应用于化学传感器、以及光敏传感器中，尤其是对有害化学物质的探测，包括氨气、三聚氰胺等。通过本项目的研究，成功制备了能够集有机半导体薄膜晶体管的易于功能化、高选择性的优点，以及碳纳米管/无机纳米线晶体管的高比表面积、高灵敏度的优点于一体的有机半导体纳米线晶体管、多孔有机晶体管等传感器，并研究其对不同物理和化学变量的独特反应。通过对有机半导体材料的分子结构的改变，以及对有机半导体形貌结构的调控，实现了有效提高基于有机半导体晶体管的传感器对目标探测物的探测能力。另外，在本项目的研究过程中，我们还延展性地研究了基于肩并肩式并列二极管结构的有机晶体管传感器对三聚氰胺固体粉末的检测性能；有机场效应晶体管的多孔结构对其气体传感性能的影响；以及基于官能团修饰碳纳米管的薄膜传感器对饮用水中消毒副产物的检测性能。对氨气的检测极限达到了10ppb，对水中有害消毒副产物的传感极限达到了ppt量级，并实现了对1ppm量级的固体化学粉末的直接检测。