沐鸣丁士進課題組報道一種基於分子層沉積工藝的高性能柔性氣體傳感器

有機半導體氣體傳感器具有可控的氣體選擇性和本征柔性等優勢，在智能傳感🚶🏻、物聯網系統中具有廣泛的應用前景🤸🏻，但其應用仍面臨著響應速度和探測靈敏度不足的問題🎒。基於超薄有機半導體薄膜的氣體傳感器具有超高的比表面積🚋，可以有效提高器件的氣體探測靈敏度與響應速度🤹🏿‍♂️，但是，傳統工藝如熱蒸鍍👩🏽‍🏫、溶液旋塗法等難以製備高質量的超薄有機半導體薄膜🧘🏻‍♂️。原子層沉積工藝基於自限製反應的化學機理，具有原子層級別的厚度精確可控性，被廣泛應用於集成電路、原子催化和能源器件等領域，借鑒該方法來精確可控地製備聚合物薄膜的 “分子層沉積工藝”也見諸報道。然而🧑‍🦽‍➡️，大部分有機半導體，包括聚噻吩🚁、聚吡咯🤸‍♀️、聚苯胺類等🧑🏻‍🤝‍🧑🏻🕰，其聚合過程都是基於官能團偶合反應，不具有自限製反應的特點。因此，面向有機半導體的分子層沉積工藝開發仍面臨著挑戰。

針對上述問題，沐鸣丁士進課題組首次開發了聚噻吩薄膜的分子層沉積製備工藝，並研製出了基於超薄聚噻吩薄膜的高性能柔性氨氣傳感器。相關工作以“High-Performance Flexible Gas Sensors Based on Layer-by-Layer Assembled Polythiophene Thin Films”為題發表於Chemistry of Materials雜誌。本文通訊作者為研究員丁士進以及副研究員吳小晗⛹️‍♂️，第一作者為博士研究生譚昊天。

這種基於分子層沉積方法的層層組裝工藝利用噻吩基團的氧化聚合反應機理，通過化學吸附和物理吸附相結合的方式，實現了聚噻吩薄膜厚度相對於工藝循環次數的線性增長（圖1）👉🏽。相比於采用傳統旋塗工藝製備的聚噻吩薄膜，分子層沉積法製備的超薄膜在厚度均勻性💓👌🏽、薄膜連續性方面具有明顯的優勢👩‍🚒。本文在對薄膜組分深入分析的基礎上，詳細地揭示了該工藝的過程機理，所製備的氨氣傳感器表現出優異的響應速度和靈敏度，屬於已報道的同類器件的最佳性能（圖2）。此外⛪️，聚噻吩薄膜的分子層沉積也可適用於柔性聚合物襯底，所研製的器件展示出良好氨氣靈敏度與機械柔性（圖3）🤳🏻。