微电子学院丁士进课题组报道一种基于分子层沉积工艺的高性能柔性气体传感器

有机半导体气体传感器具有可控的气体选择性和本征柔性等优势，在智能传感、物联网系统中具有广泛的应用前景，但其应用仍面临着响应速度和探测灵敏度不足的问题。基于超薄有机半导体薄膜的气体传感器具有超高的比表面积，可以有效提高器件的气体探测灵敏度与响应速度，但是，传统工艺如热蒸镀、溶液旋涂法等难以制备高质量的超薄有机半导体薄膜。原子层沉积工艺基于自限制反应的化学机理，具有原子层级别的厚度精确可控性，被广泛应用于集成电路、原子催化和能源器件等领域，借鉴该方法来精确可控地制备聚合物薄膜的 “分子层沉积工艺”也见诸报道。然而，大部分有机半导体，包括聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺类等，其聚合过程都是基于官能团偶合反应，不具有自限制反应的特点。因此，面向有机半导体的分子层沉积工艺开发仍面临着挑战。

针对上述问题，微电子学院丁士进课题组首次开发了聚噻吩薄膜的分子层沉积制备工艺，并研制出了基于超薄聚噻吩薄膜的高性能柔性氨气传感器。相关工作以“High-Performance Flexible Gas Sensors Based on Layer-by-Layer Assembled Polythiophene Thin Films”为题发表于Chemistry of Materials杂志。本文通讯作者为研究员丁士进以及副研究员吴小晗，第一作者为博士研究生谭昊天。

这种基于分子层沉积方法的层层组装工艺利用噻吩基团的氧化聚合反应机理，通过化学吸附和物理吸附相结合的方式，实现了聚噻吩薄膜厚度相对于工艺循环次数的线性增长（图1）。相比于采用传统旋涂工艺制备的聚噻吩薄膜，分子层沉积法制备的超薄膜在厚度均匀性、薄膜连续性方面具有明显的优势。本文在对薄膜组分深入分析的基础上，详细地揭示了该工艺的过程机理，所制备的氨气传感器表现出优异的响应速度和灵敏度，属于已报道的同类器件的最佳性能（图2）。此外，聚噻吩薄膜的分子层沉积也可适用于柔性聚合物衬底，所研制的器件展示出良好氨气灵敏度与机械柔性（图3）。