基于有機半導體TIPS-Pentacene晶態(tài)薄膜的超靈敏NO2氣體傳感器

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(A) 氣體傳感器器件示意圖；(B) TIPS-pentacene薄膜形貌和XRD衍射圖案；(C) 氣體傳感器動態(tài)響應曲線；(D) 響應強度和氣體濃度關系。

以有機半導體為活性層的氣體傳感器由于其可室溫工作、良好的選擇性、工藝簡單和柔性等特點而具有極大的應用潛力1–4。然而和傳統(tǒng)無機半導體傳感器相比，有機半導體氣體傳感器的響應性能卻遠遠不及，如靈敏度具有量級的差距，響應和回復需要幾十分鐘等等5–9。為了解決這些問題，大量的研究都相繼開展，但是其性能和機理的認識依然還遠遠不夠。蘇州大學遲力峰教授團隊近期報道了一種超靈敏的NO2有機半導體氣體傳感器，采用真空氣相沉積制備的 TIPS-pentacene分子超薄膜為活性層，該研究工作已在 Advanced Materials上發(fā)表10。當 NO2濃度(體積分數(shù))為 1–5 ppm (1 ppm = 1 × 10-6)范圍內(nèi)，其靈敏度高達1000%/ppm，響應回復時間均在2 min以內(nèi)，最低檢測限可達20 ppb (1 ppb = 1 × 10-9)。通過對比系列氣體分子如 NH3、空氣、氧氣的響應對比可見該氣體傳感器對NO2具有特異性的超靈敏響應。作者通過結(jié)合器件物理電學參數(shù)分析以及變溫電輸運和形態(tài)分析得出該氣體傳感器的超靈敏性能主要歸因于：(1) TIPS-pentacene分子薄膜較高的遷移率和較低的初始載流子濃度；較高的遷移率保證了氣體吸附后產(chǎn)生的載流子可以有效的被收集，較低的初始載流子濃度使得氣體吸附產(chǎn)生的載流子濃度變化值相比初始值的比值更顯著，從而表現(xiàn)出更高的靈敏性。(2) TIPS-pentacene分子本身較低的 HOMO能級使得其不容易被空氣摻雜，從而可以維持一個較低載流子濃度的狀態(tài)。這些因素特別是電輸運因素在傳感器里面的重要影響在前期研究中往往被忽略。該研究為傳感器器件性能的進一步提升提供了一種新思路，也為進一步了解傳感器傳感機理提供了方法。