CN109906376B - 气体检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体检测传感器，并且根据本发明的一个方面，提供了一种气体检测传感器，其包括：基底；设置在所述基底上的栅电极；设置在所述栅电极上的绝缘层；分别设置在所述绝缘层上的源电极和漏电极；设置在所述源电极与所述漏电极之间的n型沟道；以及设置在所述n型沟道上并且设置成具有能够与目标气体分子的振动能共振的电子跃迁能的量子点层。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测传感器，并且特别地，涉及使用量子点的气体检测传感器。
本申请要求基于2016年11月2日提交的韩国专利申请第10-2016-0144843号和2017年11月2日提交的韩国专利申请第10-2017-0145147号的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
由于量子点控制其尺寸，其可以容易地控制能带隙，从而通过利用这样的特性而被用作发光材料。此外，量子点可以通过吸收各种波长的光而产生电荷，因此除了用作发光材料之外还可以用作用于气体检测传感器和光检测传感器的材料。
常规地，使用NDIR传感器测量二氧化碳的浓度，但是对于实时测量，其由于高的能量消耗和长的设备预热时间而具有效率低的一面。
发明内容
技术问题
本发明要解决的问题是提供能够根据量子点层的带内电子跃迁能与目标气体分子的共振来测量量子点层的电流变化的气体检测传感器。
技术方案
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种气体检测传感器，其包括：基底；设置在所述基底上的栅电极；设置在所述栅电极上的绝缘层；分别设置在所述绝缘层上的源电极和漏电极；设置在所述源电极与所述漏电极之间的n型沟道；以及设置在所述n型沟道上并且设置成具有能够与目标气体分子的振动能共振的电子跃迁能的量子点层。
此外，根据本发明的另一个方面，提供了一种气体检测传感器，其包括：基底；设置在所述基底上的栅电极；设置在所述栅电极上的绝缘层；分别设置在所述绝缘层上的源电极和漏电极；以及设置成使所述源电极和所述漏电极电连接并且设置成具有能够与目标气体分子的振动能共振的电子跃迁能的量子点层。
有益效果
如上所述，根据基于本发明的至少一个实例的气体检测传感器，其可以根据量子点层的电子跃迁能与目标气体分子的振动能之间的共振来测量量子点层的电流变化，从而测量目标气体浓度。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一实例的气体检测传感器的示意性截面图。
图2是用于说明量子点层的带内电子跃迁能与目标气体分子的振动能的共振的概念图。
图3至图5是示出使用本发明的气体检测传感器的实验结果的图。
图6是示出根据本发明的第二实例的气体检测传感器的示意性截面图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细地描述根据本发明的一个实例的气体检测传感器。
此外，不管附图标记如何，相同或相似的附图标记给予相同或相应的部件，其中将省略冗余的说明，并且为了便于说明，所示的每个构成元件的尺寸和形状可能被放大或缩小。
图1是示出根据本发明的第一实例的气体检测传感器(100)的示意性截面图，图2是用于说明量子点层的带内电子跃迁能与目标气体分子的振动能的共振的概念图，图3是示出使用本发明的气体检测传感器的实验结果的图。
本发明提供了一种气体检测传感器(100)，其包括形成在n型沟道上的量子点层(160)。此外，量子点层(160)被设置成具有能够与目标气体(例如，二氧化碳)分子(170)的振动能共振的电子跃迁能。
另外，通过控制量子点层(160)的带内电子跃迁能，气体检测传感器(100)可以用于各种气体浓度测量。
此外，其可以将细微的电势差感应成电流变化并测量它，其中当量子点层的电势根据量子点层(160)与目标气体分子之间的电子-振动能传递而改变时产生电势差。
参照图1，与第一实例有关的气体检测传感器(100)包括基底(110)、栅电极(140)、绝缘层(180)、源电极(120)、漏电极(130)、n型沟道(150)和量子点层(160)。
具体地，与本发明的一个实例有关的气体检测传感器(100)包括基底(110)、设置在基底(110)上的栅电极(140)、设置在栅电极(140)上的绝缘层(180)、以及分别设置在绝缘层(180)上的源电极(120)和漏电极(130)。另外，气体检测传感器(100)包括设置在源电极(120)与漏电极(130)之间的n型沟道(150)，以及设置成使电流流动并且设置在n型沟道(150)上的量子点层(160)。此外，源电极(120)和漏电极(130)各自设置在绝缘层(180)和n型沟道(150)上。
另外，n型沟道(150)被设置成使源电极(120)和漏电极(130)电连接。
量子点层(160)被设置成具有能够与目标气体分子的振动能共振的电子跃迁能(带内电子跃迁能)。
此外，量子点层(160)还可以被设置成使源电极(120)和漏电极(130)电连接，并且量子点层(160)还可以被设置成不使源电极(120)和漏电极(130)电连接。
量子点层(160)是被布置使得许多具有球形形状的量子点形成层的量子点层，其中量子点可以通过控制其尺寸和组成而容易地控制电子结构的能隙。
使用量子点的气体检测传感器(100)的工作原理是实时检测在量子点层(160)中流动的电流并且利用量子点层(160)的电流变化。例如，在使用量子点的气体检测传感器(100)的情况下，其与可以利用的场效应薄膜晶体管(TFT)组合。
另外，量子点层(160)可以以膜形式形成。
在场效应薄膜晶体管中，量子点层(160)的电流变化使其电子移动至n型沟道(150)的导电沟道以产生阈值电压的变化，所述阈值电压的变化可以被测量并且被应用于生物传感器。具体地，在场效应薄膜晶体管中，在量子点层(16)的表面上发生的官能团的变化使量子点的电势改变，其中电子将该细微的电势变化转化成n型沟道的导电沟道的电流变化以将其放大。总之，量子点处的表面电势的变化快速显示薄膜晶体管中的电流变化，并且还表现为阈值电压的变化，所述阈值电压的变化可以被测量并且被应用于气体检测传感器(100)。
具体地，当在TFT中的源电极(120)与栅电极(130)之间施加等于或高于阈值电压的电压时，在n型沟道中形成导电沟道，电子可以通过所述导电沟道在源电极(120)和漏电极(130)之间移动。并且，量子点的电势也可以影响n型导电沟道，从而影响阈值电压。
参照图2，当实时测量源电极(120)与栅电极(130)之间的电流时，根据本发明的气体检测传感器(100)可以观察在量子点层(160)中引起的电势差，所述气体检测传感器(100)被设置成测量根据从目标气体分子传递至量子点(QD)层(160)的特定电子-振动能传递而改变的电流。此外，由于量子点的带内跃迁能被目标气体分子的特定官能团的振动吸收，因此待测量的电流引起电流变化。
另外，由目标气体分子的振动引起的电势增加是一种新的且非常可行的测量方法，其中电势值与生物分子的浓度成比例。
此外，由于能量传递是通过量子点层(160)与气体分子振动之间的耦合而发生的，因此还可以测量关于气体分子与量子点层(160)之间的物理距离的信息。
此外，本发明中可用的n型沟道(150)可以由选自IGZO、ZnO、ZTO、IZO、IHZO、AIN、InN、GaN和InGaN中的任一种n型材料组成。
特别地，优选由IGZO组成的n型沟道(15)，因为其具有优异的透光性、无定形结构和高的电子迁移率，并且量子点也可以在IGZO沟道上直接功能化。此外，IGZO沟道可以直接用作有源矩阵背板，其具有可以省略单独的集成过程的优点。
另外，优选的是，作为本发明中可用的量子点，使用胶体量子点。当使用胶体量子点时，其可以通过简单方法例如在n型沟道(15)上旋涂来形成，并且量子点可以均匀地分布。
量子点包含II-VI族半导体化合物、III-V族半导体化合物、IV-VI族半导体化合物、IV族半导体化合物或其组合。
具体地，作为量子点，可以使用选自以下中的任一者或更多者：
AuS，AuSe，AuTe，AgS，AgSe，AgTe，AgO，CuS，CuSe，CuTe，CuO，CdS，CdSe，CdTe，ZnS，ZnSe，ZnTe，ZnO，HgS，HgSe，HgTe，AuSeS，AuSeTe，AuSTe，AgSeS，AgSeTe，AgSTe，CuSeS，CuSeTe，CuSTe，CdSeS，CdSeTe，CdSTe，ZnSeS，ZnSeTe，ZnSTe，HgSeS，HgSeTe，HgSTe，AuAgS，AuAgSe，AuAgTe，AuCuS，AuCuSe，AuCuTe，AuZnS，AuZnSe，AuZnTe，AuCdS，AuCdSe，AuCdTe，AuHgS，AuHgSe，AuHgTe，AgZnS，AgZnSe，AgZnTe，AgCuS，AgCuSe，AgCuTe，AgCdS，AgCdSe，AgCdTe，AgHgS，AgHgSe，AgHgTe，CuZnS，CuZnSe，CuZnTe，CuCdS，CuCdSe，CuCdTe，CuHgS，CuHgSe，CuHgTe，ZnCdS，ZnCdSe，ZnCdTe，ZnHgS，ZnHgSe，ZnHgTe，CdHgS，CdHgSe，CdHgTe，CdHgZnTe，CdZnSeS，CdZnSeTe，CdZnSTe，CdHgSeS，CdHgSeTe，CdHgSTe，HgZnSeS，HgZnSeTe，HgZnSTe；GaN，GaP，GaAs，GaSb，InN，InP，InAs，InSb，GaNP，GaNAs，GaNSb，GaPAs，GaPSb，InNP，InNAs，InNSb，InPAs，InPSb，GaInNP，GaInNAs，GaInNSb，GaInPAs，GaInPSb，SnS，SnSe，SnTe，PbS，PbSe，PbTe，SnSeS，SnSeTe，SnSTe，PbSeS，PbSeTe，PbSTe，SnPbS，SnPbSe，SnPbTe，SnPbSSe，SnPbSeTe，SnPbSTe，Si，Ge，SiC，和SiGe。
特别地，与本发明的一个实例有关的气体检测传感器(100)可以使用在红外区特别是中红外区中具有电子跃迁的量子点层(160)。在这种情况下，可以通过调节量子点的类型或尺寸来使用能够吸收红外区、特别是1000nm至20μm的波长、并且优选1000nm至8000nm的波长的光的量子点。另外，由于胶体量子点可以以低成本大面积加工，因此在本发明中优选使用胶体量子点。
此外，作为量子点，可以使用经配体取代的量子点。量子点可以被有机配体和无机配体中的至少一种配体取代。配体的实例可以包括EDT(乙二硫醇)、BDT(丁硫醇)、MPA(巯基羧酸)、CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)、HTAC(十六烷基三甲基氯化铵)、TBAI(四丁基碘化铵)或Na2S。
为了胶体溶液的稳定性和分散，量子点具有被油酸配体包围的结构。该状态下的量子点也可以应用于气体检测传感器，但是由于油酸配体具有长链结构，因此量子点中产生的电子向n型沟道(150)的移动受到干扰。因此，优选用具有较短链结构的配体取代该配体。在使用经配体取代的量子点时，例如，可以使用这样的方法：其中通过在n型沟道(150)上形成被油酸配体包围的量子点然后使其与配体反应来进行配体取代。
或者，胶体量子点层的有机材料配体可以被单分子有机配体或无机配体取代以改善目标生物分子的可及性并促进生物分子中的官能团的振动模式与量子点层的带内跃迁的共振。
在一个实例中，使用如上所述的双齿配体如EDT、BDT或MPA作为用于电荷传递的有机配体，其可以与无机配体混合以均匀地形成胶体量子点层的膜结构。
在使用提供卤素离子的化合物例如CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)、CTACl(十六烷基三甲基氯化铵)和TBAI(三丁基碘化铵)合成所使用的有机配体之后，可以用卤素离子(例如Br-、Cl-或I-)取代所使用的有机配体。可以通过使卤素离子在由被有机配体包围的胶体量子点层构成的膜上存在数分钟在室温下进行取代过程。因此，膜的厚度可以增加，并且厚度可以为10nm至300nm。因为卤素是原子配体，所以其不具有配体的振动运动，因此其可以除去在中红外区中引起与目标气体分子的共振现象的分子。因此，可以获得更加改善且稳定的电信号。
作为用无机配体对其进行取代的另一种方法，可以使用利用极性溶液与非极性溶液之间的极性差异的方法。当在室温下将经非极性有机配体改性的胶体量子点溶液与极性无机配体溶液搅拌时，极性配体在胶体量子点的表面上改性，并且胶体量子点的介电常数增加。因此，在极性溶液中存在经无机配体改性的胶体量子点。经极性无机配体改性的胶体量子点溶液具有可以将胶体溶液涂覆在表面上的优点。
绝缘层(180)也可以由SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2、HfO2或SiNx等形成。
另外，栅电极(140)可以由金属形成，所述金属可以例如选自Cr、Mo、Al、Ti/Au、Ag、Cu和Pt。
此外，源电极(120)和漏电极(130)可以各自由金属形成，所述金属可以例如选自Cr、Ti/Au、Mo、Al、Ag、Cu、Pt和W。
此外，除如上所述的绝缘层(180)、n型沟道(150)、量子点层(160)以及源电极和漏电极(120、130)之外的其余结构没有特别限制，只要其可以通常用于气体检测传感器(100)即可。
例如，作为基底(110)，可以使用玻璃基底或塑料基底。
参照图3至图5，在图1所示的气体检测传感器(100)中，具有预定跃迁能的胶体量子点膜被涂覆在n型沟道上以测量由二氧化碳气体引起的电流值的变化，同时测量气体检测传感器的Id(漏电流)-Vg(栅电压)。量子点层(160)被旋涂至200nm至300nm的厚度，并且将气体检测传感器的栅电压Vg的扫描范围设定为-10V至10V。通过由量子点层与二氧化碳气体之间的能量共振引起的Id-Vg特性曲线中漏电流的变化或阈值电压(Vt)的变化来构建气体检测系统。
参照图3至图5，可以确定气体检测传感器的阈值电压(Vt)由于二氧化碳气体的存在而移动。另外，可以确定当二氧化碳气体被除去时，阈值电压(Vt)恢复。这是因为由于二氧化碳吸附在量子点层上而改变的电势变化或量子点层表面的化学吸附中的电耦合力影响其中电流在量子点层下方流动的n型沟道(150)上的电场，由此可以确定其影响阈值电压(Vt)。
参照作为初始状态的图3，可以确定阈值电压(Vt)(即直线(H)与x轴(Vg)之间的相交线)形成于4V或更小。
另外，参照图4，可以确定当发生二氧化碳的吸附时，阈值电压(Vt)变为4V或更大。
此外，参照图5，当二氧化碳被除去时，可以确定阈值电压(Vt)恢复到4V或更小，由此可以看出在量子点层(160)中发生了与二氧化碳的反应。
另一方面，未说明的符号L表示其中以对数标度和平方根标度表示漏电流(Id)的图。
图6是示出与本发明的第二实例有关的气体检测传感器(200)的示意性截面图。
参照图6，气体检测传感器(200)包括基底(210)、设置在基底(210)上的栅电极(240)、设置在栅电极(240)上的绝缘层(280)、以及分别设置在绝缘层(280)上的源电极(220)和漏电极(230)。另外，气体检测传感器(200)包括量子点层(260)，所述量子点层(260)位于绝缘层(280)上，被设置成使得电流在源电极(220)与漏电极(230)之间流动，并且被设置成具有能够与目标气体分子的振动能共振的电子跃迁能。
在第二实例中，与第一实例不同，可以不设置n型层(150)，并且量子点层(260)使源电极(220)和漏电极(230)电连接。
出于说明的目的公开了如上所述的本发明的优选实施例，本领域技术人员可以在本发明的构思和范围内对其进行修改、改变和添加，并且认为这样的修改、改变和添加落入以下权利要求。
工业适用性
根据与本发明的至少一个实例有关的气体检测传感器，可以根据量子点层的电子跃迁能与目标气体分子的振动能的共振来测量量子点层的电流变化，从而测量目标气体浓度。
Claims (7)
1.一种气体检测传感器，包括：
基底；
设置在所述基底上的栅电极；
设置在所述栅电极上的绝缘层；
分别设置在所述绝缘层上的源电极和漏电极；
设置在所述源电极与所述漏电极之间的n型沟道；以及
设置在所述n型沟道上并且设置成具有能够与目标气体分子的振动能共振的电子跃迁能的量子点层，
其中在所述量子点层的电流根据从所述目标气体分子传递至所述量子点层的电子-振动能传递而改变的情况下，所述量子点层的电流变化被转变成n型沟道的电流变化。
2.根据权利要求1所述的气体检测传感器，
其中所述量子点为胶体量子点。
3.根据权利要求1所述的气体检测传感器，
其中所述量子点包含II-VI族半导体化合物、III-V族半导体化合物、IV-VI族半导体化合物、IV族半导体化合物或其组合。
4.根据权利要求3所述的气体检测传感器，
其中所述量子点为选自以下中的任一者或更多者：
AuS，AuSe，AuTe，AgS，AgSe，AgTe，AgO，CuS，CuSe，CuTe，CuO，CdS，CdSe，CdTe，ZnS，ZnSe，ZnTe，ZnO，HgS，HgSe，HgTe，AuSeS，AuSeTe，AuSTe，AgSeS，AgSeTe，AgSTe，CuSeS，CuSeTe，CuSTe，CdSeS，CdSeTe，CdSTe，ZnSeS，ZnSeTe，ZnSTe，HgSeS，HgSeTe，HgSTe，AuAgS，AuAgSe，AuAgTe，AuCuS，AuCuSe，AuCuTe，AuZnS，AuZnSe，AuZnTe，AuCdS，AuCdSe，AuCdTe，AuHgS，AuHgSe，AuHgTe，AgZnS，AgZnSe，AgZnTe，AgCuS，AgCuSe，AgCuTe，AgCdS，AgCdSe，AgCdTe，AgHgS，AgHgSe，AgHgTe，CuZnS，CuZnSe，CuZnTe，CuCdS，CuCdSe，CuCdTe，CuHgS，CuHgSe，CuHgTe，ZnCdS，ZnCdSe，ZnCdTe，ZnHgS，ZnHgSe，ZnHgTe，CdHgS，CdHgSe，CdHgTe，CdHgZnTe，CdZnSeS，CdZnSeTe，CdZnSTe，CdHgSeS，CdHgSeTe，CdHgSTe，HgZnSeS，HgZnSeTe，HgZnSTe；GaN，GaP，GaAs，GaSb，InN，InP，InAs，InSb，GaNP，GaNAs，GaNSb，GaPAs，GaPSb，InNP，InNAs，InNSb，InPAs，InPSb，GaInNP，GaInNAs，GaInNSb，GaInPAs，GaInPSb，SnS，SnSe，SnTe，PbS，PbSe，PbTe，SnSeS，SnSeTe，SnSTe，PbSeS，PbSeTe，PbSTe，SnPbS，SnPbSe，SnPbTe，SnPbSSe，SnPbSeTe，SnPbSTe，Si，Ge，SiC，和SiGe。
5.根据权利要求1所述的气体检测传感器，
其中所述量子点为经配体取代的量子点。
6.根据权利要求5所述的气体检测传感器，
其中所述量子点为经有机配体和无机配体中的至少一种配体取代的量子点。
7.根据权利要求1所述的气体检测传感器，
其中所述n型沟道由选自IGZO、ZnO、ZTO、IZO、IHZO、AlN、InN、GaN和InGaN中的任一种n型材料组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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