基于NiPc:硼烯杂化有机场效应晶体管的气体传感器

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：NiPc:Borophene hybrid organic field-effect transistor based gas sensors

气敏场效应晶体管在环境监测中的应用研究。制备了镍酞菁与β相硼烯的杂化活性层OFET气体传感器，通过物理剥离法获得高纯度硼烯。器件呈现双极性导电特性，阈值电压约±40.8V，开关比达10^6量级。长期偏置测试显示，负偏压下阈值电压漂移0.336V（10^4s），迁移率稳定性98.7%（10^3s）→97.5%（10^4s），负电流衰减至初始值的0.92%（10^3s）→0.86%（10^4s）；正偏压下阈值电压漂移仅0.077V（10^4s），迁移率稳定性高达99.2%（10^4s）。气体检测表明，NO?灵敏度21.39%ppm^-1（检测限0.13ppm），NH?和乙醇分别为5.84%ppm^-1（0.62ppm）和4.07%ppm^-1（1.10ppm）。器件在三次连续检测中响应保持25%以上，证实其优异的重复性和可逆吸附特性。

　　近年来，随着对环境监测和物联网（IoT）技术需求的增加，气体传感器的研究变得尤为重要。为了满足这些需求，科学家们正在探索新型材料和结构，以提高传感器的性能、稳定性和灵敏度。在这一背景下，有机场效应晶体管（OFET）作为一种具有低功耗、机械柔性和可扩展性的器件，被广泛应用于气体传感领域。OFET利用有机或聚合物半导体作为活性层，这使得它们在大面积电子器件中具有良好的兼容性。与此同时，二维纳米材料（如石墨烯、过渡金属二硫化物、六方氮化硼和黑磷）因其高表面比、机械强度和优异的电导率而受到关注。这些材料与有机半导体的结合，不仅能够改善界面接触，还可能实现多功能的传感能力。

本研究中，科学家们设计了一种基于镍酞菁（NiPc）和物理剥离法制备的β相硼烯的混合活性层的OFET气体传感器。NiPc是一种具有半导体特性、热稳定性和与多种气体分子结合能力的材料。当NiPc作为界面层沉积在二维半导体或有机基底上时，它能够通过电荷转移机制提高传感器对二氧化氮（NO?）和氨气（NH?）的灵敏度。而β相硼烯则以其金属导电性、高柔性和各向异性电子传输特性而备受瞩目。尽管硼烯的研究仍处于早期阶段，但将其与有机半导体结合的潜力尚未被充分探索。因此，本研究旨在通过一种双功能方法，将NiPc的气体交互特性与硼烯的快速电荷传输特性结合起来，以实现低阈值电压、高开/关比、高迁移率以及良好的气体传感选择性，特别是在对NO?的检测方面。

为了验证这一设计的可行性，研究人员首先对NiPc和β相硼烯的混合活性层进行了详细的制备和表征。物理剥离法被用来从高纯度的硼前驱体中制备出β相硼烯，这种方法能够保持材料的结构完整性和均匀性。NiPc则通过高纯度的合成过程获得，并进一步整合到纳米复合结构中。所有使用的化学品均为分析级，未经过进一步纯化。基底材料采用商用的n+掺杂硅片，以确保良好的电接触和器件稳定性。

在表征过程中，研究人员利用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、选区衍射（SAED）和X射线衍射（XRD）分析结果，揭示了硼烯的晶体相、平面取向和结构规则性，以及物理剥离过程的质量。这些分析结果表明，所制备的β相硼烯具有高度有序的结构，这有助于其在OFET中的有效应用。同时，NiPc与硼烯之间的相互作用也被研究，以了解它们如何共同影响电荷传输和气体传感性能。

在电学性能方面，研究人员通过转移测量分析了NiPc:硼烯混合OFET的阈值电压和电流比。结果显示，该器件表现出双极性行为，其阈值电压约为-40.8 V和+40.8 V。在正负偏压应力测量中，研究人员评估了器件的长期电学稳定性。在负偏压应力下，ΔV_T（阈值电压变化）显著增加，分别达到0.195 V和0.336 V。同时，迁移率稳定性分别为98.7%和97.5%，而归一化电流（I_D/I_D0）的变化则为0.92%和0.86%。而在正偏压应力下，ΔV_T的变化则较为有限，分别达到0.045 V和0.077 V。迁移率稳定性分别为99.6%和99.2%，而归一化电流的变化为0.97%和0.95%。这表明，在长期应力下，该器件的性能得到了保持，特别是在正偏压条件下，其稳定性更高。

在气体传感性能方面，研究人员对NO?、NH?和乙醇进行了评估。在室温条件下，这些气体的灵敏度分别为21.39% ppm?1、5.84% ppm?1和4.07% ppm?1。其中，NO?的高灵敏度与其电子亲和性有关，这种性质能够增加p型通道中的空穴密度，从而显著触发电流或电阻的变化。而NH?和乙醇的灵敏度相对较低，但仍然具有良好的检测能力。研究人员还测量了这些气体的最低检测限（LOD），发现NO?的LOD可以低至0.13 ppm，而NH?和乙醇的LOD分别为0.62 ppm和1.10 ppm。这表明，该传感器在检测低浓度气体方面具有一定的优势。

此外，研究人员还测试了传感器在多个循环中的响应能力。结果表明，NO?的峰值响应在三个连续循环中保持在约25%的水平，且各循环之间没有显著的偏移。这表明，该传感器具有良好的可重复性和可逆吸附-脱附能力，能够实现稳定、可靠的气体检测。这种特性对于实际应用尤为重要，因为环境监测系统通常需要长时间运行，并且对气体的检测要具有一定的持续性和可重复性。

综合来看，NiPc:硼烯混合OFET气体传感器在多个方面表现出色。它不仅具有低功耗和可扩展性的优势，还能够实现高灵敏度和良好的选择性。特别是在对NO?的检测方面，该传感器表现出较高的灵敏度和较低的LOD，这使得它在环境监测和物联网应用中具有较大的潜力。此外，该传感器的双极性行为和高开/关比也表明，它在电学性能方面具有良好的表现，能够适应多种应用场景。

为了进一步验证该传感器的性能，研究人员还对其他气体进行了测试，以评估其选择性。结果显示，该传感器在检测NO?时表现出较高的选择性，而在检测NH?和乙醇时，其选择性相对较低。这表明，NiPc与β相硼烯的结合能够改善传感器的化学选择性，使其在检测特定气体时具有更高的灵敏度和更低的交叉干扰。同时，该传感器的响应速度和恢复时间也较快，这表明其在实际应用中能够实现快速、高效的气体检测。

此外，研究人员还探讨了该传感器的结构和材料特性对其性能的影响。β相硼烯的金属导电性和高迁移率使得其在OFET中能够有效传输电荷，而NiPc的气体交互特性则能够提高传感器对特定气体的响应能力。这两种材料的结合不仅能够改善电荷传输效率，还能够增强传感器的化学选择性和环境稳定性。因此，该传感器在多种环境条件下都能够保持良好的性能，这使得它在实际应用中具有更高的可靠性。

总的来说，NiPc:硼烯混合OFET气体传感器的开发为环境监测和物联网技术提供了一种新的解决方案。它不仅能够实现高灵敏度和良好的选择性，还具有低功耗和可扩展性的优势。此外，该传感器的可重复性和可逆吸附-脱附能力也表明，它在实际应用中能够保持稳定、可靠的表现。这些特性使得该传感器在未来的环境监测系统和智能传感网络中具有广阔的应用前景。