专利名称：基于环三(甲氧基取代甲基异腈金)纳微米线的光电器件、制备方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明属于有机半导体材料自组装与OFET(有机场效应晶体管)光电器件领域， 具体涉及一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金)(简称Au3A3)纳微米线的光电器件、其制备方法及在该器件在溶剂气氛传感器方面和光开关方面的应用。
背景技术：
有机半导体材料在有机电致发光、场效应晶体管、太阳能电池、光导体器件以及纳微米传感器等众多领域有着广泛的应用，尤其是一维有机纳微米材料例如纳米线、纳米棒等在功能化的半导体器件中表现更为突出(J. Phys. Chem. B, 2004,108，9574，Angew. Chem. Int. Ed. 2005，44，1395和Nature，2001，409，66)。最近，一些关于利用一维有机功能材料制备 OFET 器件的报道(Mater. Today, 2008,11，38.和 Adv. Mater. 2006，18，65)，虽然利用一维的纳微米线制备了功能器件，但多数采用了真空蒸镀、气相沉积等复杂而成本较高的方法。所以，如何利用一种操作简单、成本低廉且快速的方法制备尺寸可控的一维纳微米材料继而实现其功能是一个非常重要的问题。另外，以往一维纳微米材料的自组装主要依赖于 η-η键、氢键及范德华力等相互作用，而较少涉及Au1··!!1等金属-金属间弱相互作用。 因此能够有效发掘出基于Au1··)!!1弱相互作用构筑的一维纳微米材料，并将这种新型材料合理地应用于0FET、光开关和气体敏感等领域必将成为现今的研究的热点。
发明内容
本发明利用溶液加工方式，基于Ai^hAU1弱相互作用构筑环三(甲氧基取代甲基异腈金)(简称Au3A3，其结构式如下所示)一维纳微米线进而构造OFET光电器件。本发明在器件的制备过程中，利用了简单的溶液加工，避免了传统的真空蒸镀、溅射、真空气相沉积等复杂的方法。通过不同溶液的选择，就可以得到尺寸(直径和长度)可控的Au3A3纳微米线。本发明利用这种简单的方法制备的Au3A3纳微米器件迁移率高、稳定性强，具有较强的光开关功能，并且对甲醇、乙腈等溶剂气氛有灵敏、可逆、稳定的电信号响应，可做溶剂气氛的传感器，并可广泛应用于未来新型半导体材料器件的研发。
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本发明的目的是通过以下技术方案实现的。首先我们参照已知方法(J.E. Parks， A. L. Balch, J. Organomet. Chem. 1974，71，453.)合成了 Au3A3 单质,其次在硅片基底上通过热氧化制备一层绝缘层，再通过溶剂挥发法在基底上生长出纳微米线，并在其上利用掩膜板蒸镀单质金作为导电的电极，继而制备了基于Au3A3纳微米线的场效应晶体管(OFET)光电器件，并对其迁移率、光开关、溶剂响应等功能进行了测试。本发明所述的基于Au3A3纳微米线的OFET器件，其特征在于依次由硅基底、二氧化硅绝缘层、OTS(十八烷基三氯硅烷)修饰层、Au3A3纳微米线、蒸镀金制备的源电极和漏电极组成，Au3A3纳微米线连接于源电极和漏电极间。本发明所述的基于Au3A3纳微米线的OFET光电器件的制备方法，其步骤如下1)在硅基底上通过热氧化方法制备得到200 300纳米的二氧化硅绝缘层；2)在真空条件下，在硅基底的二氧化硅绝缘层上生长出厚度为2 4纳米的十八烷基三氯硅烷OTS修饰层；3)在玻璃容器中用少量有机溶剂(二氯乙烷或四氢呋喃)溶解Au3A3至5X10_4 2X ΙΟ"3摩尔/升，将上述Au3A3的溶液滴于生长了十八烷基三氯硅烷OTS修饰层的硅基底上，并置于封闭容器中直至溶液挥发干，从而在硅基底的十八烷基三氯硅烷OTS修饰层上形成多根一维线状晶体，即Au3A3纳微米线；4)利用与源电极和漏电极形状互补的图形(矽钢)为掩膜板，在硅基底的Au3A3 纳微米线上蒸镀30 40纳米的金层制备源电极和漏电极，得到源电极和漏电极间距(沟道宽)为15 20微米、Au3A3纳微米线连接于源电极和漏电极间(沟道两端)的OFET器件。测试器件迁移率的系统采用的是Keithley 2636A系列与配套的屏蔽系统，测试在恒温(20°C )，恒湿(相对湿度11% RH)条件下进行。OFET器件是通过调节栅极电压来控制源漏极之间电流大小的一种有源器件，金电极区的制备是在高真空度OX10—4 5X IO-4Pa大气压)下，利用传统的真空蒸镀的方法得到的。通过改变溶解Au3A3的溶液，就可得到不同尺寸(直径，长度)的一维线状晶体。例如使用二氯乙烷溶液(IX 10_3摩尔/升)，会得到直径200 1500纳米和长度100 500 微米的纳微米线；而当使用THF(四氢呋喃)溶液(1X10—3摩尔/升)，就会得到直径约为 2 5微米、长度约为300 1000微米的纳微米线。控制温度也是保证生长出一维均一纳微米线的重要因素，温度应控制在20 25°C左右。使用CHI630C电化学工作站对制备好的光电器件进行导电性测试，当加到金电极
4区上的电压恒定时，利用氙灯和单色仪调节照射在基于Au3A3纳微米线光电器件上的光的强度和发光波长，可以得到器件的光开关性质曲线；当电压恒定时，通过载气系统通入溶剂气氛，可以得到电信号随溶剂气氛变化的曲线。氙灯和单色仪不仅发光波长可控，还可以应用光强度测试仪对其发出的光强进行测试。需要说明的是，同样的器件制备方法和测试方法不只可以用在基于Au3A3纳微米线光电器件的制备和测试上，还可以用在基于其他有机光电功能材料的光电器件的制备和测试中，如酞菁、吓啉以及石墨烯等。
图1 本发明的OFET器件的结构示意图；其中各部件名称为1、硅基底；2、二氧化硅绝缘层；3、OTS修饰层；4、生长的Au3A3 纳微米线；5、漏电极(负极)；6、源电极(正极)；图2 本发明的OFET器件的显微镜照片，其中4、生长的Au3A3纳微米线；5、漏电极 (负极)；6、源电极(正极)；图3 本发明的OFET器件输出特性曲线；图4 本发明的OFET器件转移特性曲线；图5 本发明的光电器件在500nm光照下的电流-时间光开关性质曲线；图6 本发明的光电器件在不同光强照射下的电流-时间曲线；图7 本发明的光电器件对乙醇气氛的电信号传感曲线；图8 本发明的光电器件电流随乙醇浓度变化呈现线性关系的图谱；图9 本发明的光电器件对乙腈气氛的电信号传感曲线。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步的阐述，而不是要以此对本发明进行限制。实施例1 制备Au3A3纳微米线场效晶体管(OFET)光电器件及迁移率的测试1、制备Au3A3纳微米线OFET光电器件以硅片作为基底，在基底上通过热氧化方法得到200 300纳米厚的二氧化硅绝缘层。将带有二氧化硅绝缘层的硅片粘在滴加了微量(15微升)OTS(十八烷基三氯硅烷)的100毫升容器的瓶盖内侧；容器真空条件下放置他后OTS自行挥发，从而在硅基底的二氧化硅绝缘层上生长出厚度约2 4纳米的OTS修饰层。在玻璃容器中用少量二氯乙烷溶解Au3A3至浓度为1 X 10_3摩尔/升，将以上溶液 (5 20微升)滴于生长了 OTS修饰层的硅片上并铺满硅片表面，在20°C条件下置于封闭容器中缓慢挥发12小时左右直至溶液挥发干，从而观察到在基底的OTS修饰层上生长出多根方向杂乱的一维线状晶体(长度约为100 300微米，直径约为200 1500纳米)，即 Au3A3纳微米线。在高真空(5X10_Va大气压)条件下，在长有Au3A3纳微米线的硅片上，利用与源电极和漏电极形状互补的矽钢为掩膜板，在Au3A3纳微米线上蒸镀30 40纳米的金电极， 进而制备出源电极和漏电极，从而得到沟道宽(源电极和漏电极的间距)为15 20微米的OFET器件，Au3A3纳微米线连接于源电极和漏电极间。器件的结构示意图如图1所示。器
5件的显微镜照片如图2所示。2、利用Au3A3纳微米OFET器件测定材料迁移率用Keithley 2636A仪器与配套的屏蔽系统通过制作好的OFET器件对Au3A3纳微米线进行迁移率的测试。通过调节栅极电压控制源漏电极之间电流大小得到源漏电流 Ids 源漏电压Vds曲线，再通过计算得到相应材料的迁移率数值。具体是，分别把器件上的源漏电极区接入Keithley 2636A仪器的正负两极并置于屏蔽箱内，设置加在器件栅电极上的电压为-10伏，在屏蔽的状态下，有机半导体即Au3A3 纳微米线和绝缘层界面之间会形成一楔形的导电沟道，随着电压的增大，导电沟道就逐渐向源、漏极靠近最后与之导通，这时就形成了电流。调节栅电压\的数值变化，从- ο伏至 10伏，每次变化5伏，测出不同栅电压Ve下源漏电压Vds和源漏电流Ids的变化就得到了输出特性曲线，如图3所示。当源漏电流、不再随源漏电压Vds的变化而发生明显的变化时， 说明电流达到了其饱和区。取饱和区域内源漏电压为Vds = 50伏，分别以对应的栅电压Ve 和源漏电流Ids作为横竖坐标就得到了转移特性曲线，如图4所示。转移特性曲线最大与最小电流之比为开关电流比即103，切线与横坐标的交点为开启电压VT，VT= 13V，再将各项数值代入饱和区迁移率计算公式IDS = PCWz^L(VcTVt)2,其中L为电极沟道长，W为电极沟道宽，C为绝缘层单位面积的电容，μ为饱和区迁移率，最后计算出Au3A3微米线的迁移率约为 2. 25 X IO-1Cm2V-1 S^10值得一提的是，经过多次实验，上述器件表现出非�：玫奈榷ㄐ院涂芍馗葱�。这一结果表明Au3A3是一种优良的半导体材料，在未来新型半导体材料应用领域具有非�？晒鄣那熬啊Ｊ凳├�2 =Au3A3纳微米器件光开关性质的测定1、同实施例1步骤1方法制备Au3A3纳微米器件。2、用电化学工作站对制作好的器件进行导电性测试，利用氙灯和单色仪调节照射在Au3A3微米器件上的发光波长，当器件两端的电压恒定时，测试其电流-时间曲线。分别把器件上的电极区的两个部分分别接入电化学工作站的正负两极，设置加在器件两端的电压为1. 5伏，在黑暗的状态下，此时电流随着时间的变化成一条直线，如图5中0 100秒所示；当有波长为500纳米的入射光照在器件表面时，器件的电流瞬间增强，如图5中100 250秒所示；而关闭入射光时电流又回到暗态时的强度。这样调节入射光的照射(开)和关闭(关)，就得到了图5所示的光开关曲线，器件实现了光开关功能。而且调节不同强度的照射光，电流响应的程度也不同，在图6中可以看出，其中当强度是80微瓦/厘米2时， 电流增强最大，随着光强度的减弱电流也相应减小。值得一提的是，经过4次开关光源的实验，上述器件表现出非�？斓南煊λ俣纫约跋嗟焙玫奈榷ㄐ院涂芍馗葱�。实施例3 =Au3A3纳微米器件对乙醇气氛的传感测定1、同实施例1步骤1方法制备Au3A3纳微米器件。2、用电化学工作站对制作好的器件进行导电性测试，在氮气环境下，以氮气作为载气，控制流速为400cm7min，乙醇溶剂气氛在氮气的吹动下通向器件表面，控制气氛的通入和停止，可以测试器件对乙醇的电信号响应(图7)。分别把器件上的两个电极接入电化学工作站的正负两极，设置加在器件两端的电压为1.5伏，在只有氮气通入的状态下，此时电流随着时间的变化成一条直线，如图7中0 50秒所示。当带有乙醇的氮气吹在器件表面时，器件的电流瞬间增强，如图7中50 100秒所示，而停止乙醇的吹入只有氮气时电流
6又回到原来的强度。这样调节乙醇的通入(开)和关闭(关)，就得到了图7所示的乙醇溶剂电信号响应曲线，这样器件实现了乙醇溶剂的传感功能。而且乙醇溶剂浓度变化与电流呈现线性关系如图8所示。其中值得一提的是，经过多次开关实验，上述器件表现出非常快的响应速度以及相当好的稳定性和可重复性并且乙醇通入和关闭时电流的比值达到80 100 倍。实施例4 =Au3A3纳微米器件对乙腈气氛的传感测定1、同实施例1步骤1方法制备Au3A3纳微米器件。2、用电化学工作站对制作好的器件进行导电性测试，在氮气环境下，以氮气作为载气，控制流速为400cm7min，乙腈溶剂气氛在氮气的吹动下通向器件表面，控制气氛的通入和停止，可以测试器件对乙腈的电信号响应(图9)。分别把器件上的两个电极接入电化学工作站的正负两极，设置加在器件两端的电压为1.5伏，在只有氮气通入的状态下，此时电流随着时间的变化成一条直线，如图9中0 25秒所示。当带有乙腈的氮气吹在器件表面时，器件的电流瞬间增强，如图9中25 75秒所示，而停止乙腈的吹入只有氮气时电流又回到原来的强度。这样调节乙腈的通入(开)和关闭(关)，就得到了图9所示的乙腈溶剂电信号响应曲线，这样器件实现了乙腈溶剂的传感功能。值得一提的是，经过多次开关实验，上述器件表现出非常快的响应速度以及相当好的稳定性和可重复性。
权利要求
1.一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金)(简称Au3A3)纳微米线的光电器件，其特征在于依次由硅基底(1)、二氧化硅绝缘层( 、十八烷基三氯硅烷OTS修饰层( 、Au3A3 纳微米线G)、蒸镀金制备的源电极(6)和漏电极(5)组成，Au3A3纳微米线(4)连接于源电极(6)和漏电极(5)间。
2.权利要求1所述的一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金)Au3A3纳微米线的光电器件的制备方法，其步骤如下1)在硅基底(1)上通过热氧化方法制备得到200 300纳米的二氧化硅绝缘层O)；2)在真空条件下，在硅基底(1)的二氧化硅绝缘层( 上生长出厚度为2 4纳米的十八烷基三氯硅烷OTS修饰层(3)；3)在玻璃容器中用有机溶剂溶解Au3A3至5X 10_4 2 X 10_3摩尔/升，将Au3A3的溶液滴于生长了十八烷基三氯硅烷OTS修饰层C3)的硅基底(1)，并置于封闭容器中直至溶液挥发干，从而在硅基底(1)的十八烷基三氯硅烷OTS修饰层C3)上形成多根一维线状晶体，即 Au3A3纳微米线(4)；4)利用与源电极(6)和漏电极(5)形状互补的矽钢为掩膜板，在硅基底(1)的Au3A3纳微米线⑷上蒸镀30 40纳米的金层制备源电极(6)和漏电极(5)，得到源电极(6)和漏电极(5)间距为15 20微米、Au3A3纳微米线(4)连接于源电极和漏电极间的场效应晶体管。
3.如权利要求2所述的一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金)Au3A3纳微米线的光电器件的制备方法，其特征在于是在2X10_4 5X10_4Pa条件下蒸镀金层制备源电极(6) 和漏电极(5)。
4.如权利要求2所述的一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金)Au3A3纳微米线的光电器件的制备方法，其特征在于有机溶剂为二氯乙烷或四氢呋喃。
5.权利要求1所述的一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金Mu3A3纳微米线的光电器件在溶剂气氛传感器方面的应用。
6.如权利要求5所述的一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金)Au3A3纳微米线的光电器件在溶剂气氛传感器方面的应用，其特征在于用作于乙醇或乙腈溶剂气氛传感器。
7.权利要求1所述的一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金Mu3A3纳微米线的光电器件在光开关方面的应用。
全文摘要
本发明具体涉及一种基于环三(甲氧基取代甲基异腈金)纳微米线的光电器件、其制备方法及在该器件在溶剂气氛传感器方面和光开关方面的应用。器件依次由硅基底、二氧化硅绝缘层、0TS(十八烷基三氯硅烷)修饰层、Au3A3纳微米线、蒸镀金制备的源电极和漏电极组成，多根纳微米线连接金电极两端。本发明在器件的制备过程中，利用了简单的溶液加工，通过使用不同种溶液的方法可以获得尺寸(直径和长度)不同的Au3A3金纳微米线。本发明的器件，在空气中表现出了优异的空穴传输性能和较高的迁移率，具有较强的光开关功能，并且对乙醇、乙腈等溶剂气氛有灵敏、可逆、稳定的电信号响应，在未来新型半导体材料应用方面具有非�？晒鄣那熬�。
文档编号G01R31/26GK102208536SQ201110059108
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月11日 优先权日2011年3月11日
发明者王悦 申请人:吉林大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
