有機場效應晶體管的生物安全柔性光敏傳感器及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光敏傳感器，尤其是涉及一種基于有機場效應晶體管的生物安全柔性光敏傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]基于有機場效應晶體管(OFET)的光敏傳感器性能優異，應用廣泛，包括光探測，光開關，光觸發放大器以及圖案成像等。然而傳統的OFET光敏傳感器要求有機半導體材料本身兼具較高的迀移率和良好的光敏性能，如此高的要求限制了 OFET光敏傳感器的大規模推廣應用。另一方面，利用OFET器件的結構設計也可以得到具備優異性能的傳感器，如美國斯坦福大學鮑哲南團隊報道了一種基于具有復雜微結構的聚二甲基硅氧烷(PDMS介電層的0FET，該OFET具有非常高的壓力敏感性能。我們團隊也報道了一種利用OFET中介電層和有機半導體層界面作用制備的溫敏傳感器，能夠應用于人工皮膚的溫度感知。通過這些方式得到的傳感器不再要求有機半導體本身對刺激或信號的敏感性能，因此具有廣泛的材料適用性。而且，基于這種方式的光敏傳感器還沒有被報道過。
[0003]兼具柔性和生物安全性的光敏傳感器具有廣泛的應用前景，如John A.Rogers報道了使用柔性光敏傳感器仿照昆蟲的復眼結構，制備出了具備寬視角、低像差等優異性能的柔性球面成像設備；他還報道了將生物安全的微型LED光源、光敏傳感器等電子器件集成在一起介入到小鼠的大腦，從而開創性地研宄了生物體神經系統的光遺傳行為。然而，上述器件中使用的材料包括PDMS和無機硅基半導體材料，其生物安全性和柔性都有待提高。

【發明內容】

[0004]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種具有優異的光敏性能且兼具生物安全性的有機場效應晶體管的生物安全柔性光敏傳感器及制備方法。
[0005]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0006]一種有機場效應晶體管的生物安全柔性光敏傳感器，包括:
[0007]作為介電層的PLA薄膜，
[0008]在PLA薄膜底部蒸鍍的金薄膜作為柵電極，
[0009]在PLA薄膜頂部蒸鍍有機半導體層作為導電層，
[0010]在導電層頂部蒸鍍相互隔絕的金薄膜作為源極和漏極。
[0011]所述的PLA薄膜厚度為1-5 μ mo
[0012]作為柵電極的金薄膜厚度為50-100nmo
[0013]所述的有機半導體層的厚度為50-100nm，材質為二萘并噻吩酮。
[0014]所述的源極和漏極之間的距離為10-500 μπι。
[0015]有機場效應晶體管的生物安全柔性光敏傳感器的制備方法，采用以下步驟:
[0016]a)基底的清潔處理:使用丙酮，異丙醇依次超聲清洗硅片基底，然后用無水乙醇和去離子水沖洗，最后用氮氣吹干襯底表面；
[0017]b)基底的表面防粘處理:將體積濃度為1-5%的(十三氟-1，1，2，2-四氫辛烷)-三氯硅烷(FOTS)在氯仿中的溶液旋涂到上述洗凈的硅片表面作為防粘層；
[0018]c)在7X 10_4Pa的真空下將金熱蒸鍍到硅片上形成柵電極；
[0019]d)將c)的產物豎直置于50g/L的PLA氯仿溶液中，以15 μ m/s的速率緩慢提拉離開溶液表面，得到作為OFET介電層的PLA薄膜；
[0020]e)在7X 10_4Pa的真空下，將二萘并噻吩酮熱蒸發到上述PLA薄膜上；
[0021]f)使用c)相同的方法，利用掩膜版遮擋的方式將金熱蒸鍍到e)的產物上，作為OFET的源極與漏極電極；
[0022]g)將PLA薄膜從有FOTS處理的硅片上揭下，得到柔性光敏傳感器。
[0023]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0024]1、采用PLA和DNTT分別作為OFET的襯底暨介電層和有機半導體材料，由于PLA中的化學極性基團對DNTT中的載流子具有吸引捕獲效應，而這種效應能受光照的影響，從而使得制備的OFET具備光敏性能，光開關比達到14倍，可用作光敏晶體管，并能應用于圖案成像；
[0025]2、制備的OFET兼具柔性和生物相容性，將器件卷在半徑小于800 μπι的物體上還能保持正常性能；PLA本身是生物相容性優異的高分子材料，而DNTT占OFET的質量分數不足I %，因此OFET整體的生物安全性良好，器件的萃取液與L929細胞的共培養實驗中，細胞的成長率均高于80% ；
[0026]3、本技術制備工藝簡單，無需精密的制備儀器，成本低廉，便于大規模生產。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明制備的OFET工作性能，即其輸出特性曲線。
[0028]圖2為本發明制備的OFET的柔性展示，其迀移率隨卷曲半徑的變化情況。
[0029]圖3為本發明制備的OFET的生物相容性展示，與其共培養細胞的成長率。
[0030]圖4為采用本技術制備柔性OFET的光敏性能，即其轉移特性曲線隨光強的變化。
[0031]圖5為采用本技術制備的柔性OFET在不加場電壓時作為光敏晶體管的輸出特性曲線。
[0032]圖6為采用本技術制備的柔性OFET光敏傳感器對五角星圖案的成像應用。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0034]實施例1
[0035]一種有機場效應晶體管的生物安全柔性光敏傳感器，包括作為介電層，厚度為1-5 μ m的PLA薄膜，在PLA薄膜底部蒸鍍厚度為50_100nm的金薄膜作為柵電極，在PLA薄膜頂部蒸鍍厚度為50-100nm，材質為二萘并噻吩酮有機半導體層作為導電層，在導電層頂部蒸鍍相互隔絕的金薄膜作為源極和漏極，源極和漏極之間的距離為10-500 μπι。
[0036]Au柵電極通過掩膜版遮擋后熱蒸鍍，其寬度略大于頂部Au源極與漏極之間的溝道寬度，既保證溝道中的有機半導體都處于場電壓中，又盡量減少底柵電極與頂部源極/漏極之間的重疊，減少OFET器件擊穿漏電的風險。OFET中使用的介電材料PLA與有機半導體材料DNTT的分子式如圖二所示。PLA分子量為10-20萬，購置后使用溶解沉淀的方法提純后使用，溶劑為氯仿，沉淀劑為甲醇。DNTT按下述步驟合成:
[0037]步驟1，所有的化學試劑純度均為分析純。四氫呋喃在使用前都經過除水處理，所有反應均在無水無氧環境下進行，使用氬氣保護。將2.87mL(21mmol)的三甲基乙二胺加入到35mL的四氫呋喃中，在零下30°C與正丁基鋰的正己烷溶液(濃度1.59M，13.2mL)混合。在同樣溫度下攪拌混合溶液15分鐘后，緩慢滴加(5分鐘加完)2_萘甲醛的四氫呋喃溶液(2.0g 2-萘甲醛加入到1mL四氫呋喃中)，之后再加入24.15mL濃度為38.4mmol的正丁基鋰正己烷溶液，在零