(57)【要約】      （修正有）【解決手段】化学センサは、第１のトランジスタと第２のトランジスタとを備える電子機器である。第１のトランジスタは、第１の半導体とカーボンナノチューブとから作られる半導体を備えている。第２のトランジスタは、第２の半導体から作られる半導体層を備えており、カーボンナノチューブは含んでいない。この２種類のトランジスタは、化学化合物への応答という点で異なっており、その応答の差を利用し、特定の化学化合物の属性を決定することができる。【効果】この化学センサは、爆発性化合物、例えば、トリニトロトルエン（ＴＮＴ）の使い捨て可能なセンサとして有用であろう。この電子機器を分析器とともに使用し、分析器は、電子機器によって作られた情報を処理する。【選択図】図１
2013079943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学化合物の属性を決定するシステムであって、
第１の化学物質を感知する薄膜トランジスタを少なくとも備え、この第１の化学物質を感知するトランジスタが、異なる化学化合物にさらされたとき、電荷キャリア移動度に変化が生じる、電子機器と、
前記電子機器と組み合わせて用い、電荷キャリア移動度の変化に基づいて、前記化学化合物の属性を決定する分析器とを備える、システム。
【請求項２】
化学化合物の属性を決定する電子機器であって、このデバイスが、第１のトランジスタと第２のトランジスタとを備え、
第１のトランジスタが、第１のゲート電極と、第１のソース電極と、第１のドレイン電極と、第１の半導体層とを備え、第１の半導体層が、第１の半導体ポリチオフェンとカーボンナノチューブとを含み、
第２のトランジスタが、第２のゲート電極と、第２のソース電極と、第２のドレイン電極と、第２の半導体層とを備え、第２の半導体層が、第２の半導体ポリチオフェンを含み、カーボンナノチューブを含まず、
第１のトランジスタと第２のトランジスタは、化学化合物にさらされると、化学化合物の指標である電荷キャリア移動度に変化が生じる、電子機器。
【請求項３】
化学化合物を検出する方法であって、
第１のトランジスタを少なくとも備え、この第１のトランジスタが、第１の半導体層を備える電子機器を準備することと、
前記電子機器が蒸気の流れにさらされ、前記第１のトランジスタの電荷キャリア移動度に変化を生じることと、
分析器を用いて前記電子機器の応答を調べ、前記蒸気の流れに特定の化合物が存在することを決定し、そのことが化学化合物の存在を示す、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、化学物質を感知する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を備える電子機器に関する。この電子機器は、１種類以上の種類が異なるトランジスタを備えていてもよく、化合物、例えば、爆発性物質に関わりがある揮発性化合物の検出、特定および／または定量に有用である。
【背景技術】
【０００２】
ＴＦＴは、一般的に、基材と、導電性ゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極と、ゲート電極をソース電極およびドレイン電極と隔離する電気絶縁性のゲート誘電層と、ゲート誘電層と接触してソース電極およびドレイン電極を架橋する半導体層とから構成されている。ＴＦＴの性能は、トランジスタ全体の電界効果移動度、電流のオン／オフ比によって決定することができる。
【０００３】
有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）は、スピンコーティング、溶液キャスト法、浸漬コーティング、ステンシル／スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、インクジェット印刷、マイクロコンタクトプリントなどのような低コストの溶液系パターニングおよび堆積技術を用いて製造することができる。低コストであるため、ＯＴＦＴは、電子機器を廃棄することが有用であると思われる用途で使用することができる。
【０００４】
爆発性化合物の検出は、国土安全保障用途や、他の防衛機能にとって望ましい。爆発性化合物は、典型的には、窒素を含有しており、例えば、トリニトロトルエン（ＴＮＴ）、シクロトリメチレントリニトロアミン（ＲＤＸ）、四硝酸ペンタエリスリトール（ＰＥＴＮ）が挙げられる。化学兵器にも窒素を含むもの、例えば、びらん剤、神経ガス、無力化ガスの一部がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ある種の家庭用途や産業用途でも、他のよく似た化合物から特定の化合物を特定することが望ましい。例えば、化学センサは、過剰量の一酸化炭素の存在を示すことができる。また、特定の化学物質の有無を利用し、ある種の産業プロセスを制御することができる。特定の汚染物質または副生成物を検出することも、品質制御目的で有用である。
【０００６】
上述の化学物質を感知する機能のいくつかを実施するために、ＯＴＦＴの低コスト性を利用することが望ましいだろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、いくつかの実施形態では、特定の化合物を具体的に、または大まかな分類または共通の化学によって検出し、特定し、および／または定量するのに有用な電子機器に関する。電子機器は、化学物質を感知するトランジスタを備えており、このトランジスタは、異なる化学化合物にさらされたときに、異なる信号、例えば、電荷キャリア移動度の変化を生じる。この機器は、第１のトランジスタを備えており、場合により、所与の化合物、例えば、揮発性物質に対する応答が異なる第２またはさらなるトランジスタを備えている。この応答は、トランジスタのベースラインと、他のトランジスタとは独立した応答から得られる変化とで差がある。この応答の差を利用し、化合物を検出、特定および／または定量することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示のＴＦＴの第１の実施形態の図である。
【図２】図２は、本開示のＴＦＴの第２の実施形態の図である。
【図３】図３は、本開示のＴＦＴの第３の実施形態の図である。
【図４】図４は、種々の有機溶媒のための２種類の異なるＴＦＴについて、電荷キャリア移動度を示す棒グラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
一般的に、本開示は、化学センサとして使用可能な電子機器に関する。電子機器のトランジスタ（または各々のトランジスタ）の電荷キャリア移動度を、周囲の空気にさらされた状態で測定し、この測定値をベースラインとして使用する。次いで、この電子機器を、特定の化学物質を含む蒸気の流れにさらし、電荷キャリア移動度の変化（絶対的変化、相対変化、または両者）を用い、特定の化学化合物を特定することができる。特定のトランジスタは、一般的に、異なる化学物質にさらされると、異なる応答をする。この応答により、化学化合物を大まかに特定する（例えば、特定の分類に含まれる、または特定の化学構造を含む）か、または、具体的に特定することができる。異なるトランジスタは、他と独立して応答することができる。異なるトランジスタ間の応答の差によって、化学化合物の存在または属性を独立して確認する。この電子機器は、蒸気の流れに含まれる化学化合物の大まかな種類、組成および／または属性を決定するのに特に有用である。
【００１０】
電子機器が、スキャナ、リーダ、または電子機器によって作られる情報を解釈する類似の分析器と組み合わせてチップまたはカートリッジとして使用される状態が特に想定される。例えば、分析器を使用し、蒸気の流れに関するデータを読み取り、処理し、解釈するか、または得ることができ、また、適切な表示を作成し、データを保存などすることができる。化学化合物の特定は、例えば、電荷キャリア移動度の変化が、化合物の分類または具体的な化学化合物に関連するというリファレンステーブルと比較することによって行うことができる。その後、所望な場合、カートリッジを処分してもよい。特定の用途では、電子機器を使用し、爆発性化合物の蒸気、爆発性化合物の分解フラグメント、または爆発性化合物に一般的に関係がある化学物質の蒸気を検出することができる。
【００１１】
さらに特定的な実施形態では、電子機器は、第１のトランジスタと第２のトランジスタとを備え、所望な場合、さらなるトランジスタを備えていてもよい。それぞれのトランジスタは、化学センサとして作用し、所与の化学化合物に対し、他と区別可能な応答を生じる。一般的に、特定の化合物に対する応答は、２種類（またはそれ以上の）トランジスタ間で異なっている。これらの応答の差を利用し、異なる化学化合物をさらに区別することができる。例えば、電子機器は、クロロホルムを他の塩素化溶媒から選択的に特定することができ、または、ｎ−ブタノールを他のアルコール系溶媒から選択的に検出することができる。
【００１２】
さらに具体的には、第１のトランジスタは、第１の半導体層を備えており、第１の半導体層は、第１の半導体とカーボンナノチューブとを含んでいる。第２のトランジスタは、第２の半導体層を備えており、第２の半導体層は、第２の半導体を含んでいるが、カーボンナノチューブは含んでいない。このような電子機器を製造するプロセスも開示されている。電子機器を使用する方法も開示されている。
【００１３】
図１は、第１のトランジスタを少なくとも備えており、ボトム−ゲート型でボトム−コンタクト型のＴＦＴ構造を用いた電子機器を示す。電子機器１０は、最下層または最底部層の役割を果たす基材２０を備えており、基材２０は、トランジスタの最外層の１つであると考えることができる。第１のゲート電極３０は、基板の内部に配置されており、ゲート誘電層４０は、第１のゲート電極を覆っている。第１のゲート電極３０は、この図では、基材２０の内部にある凹部で示されているが、このゲート電極は、基材の上部（すなわち、ゲート誘電層の内部にある凹部）に配置されていてもよい。ゲート誘電層４０によって、第１のゲート電極３０が、第１のソース電極４２、第１のドレイン電極４４、第１の半導体層５０と隔離していることが重要である。第１の半導体層５０は、第１のソース電極４２および第１のドレイン電極４４の上部を覆っており、これらの間に位置している。第１の半導体層は、第１のソース電極４２と第１のドレイン電極４４との間にチャネル長５２を有する。基材２０、第１のゲート電極３０、ゲート誘電層４０、第１のソース電極４２、第１のドレイン電極４４、第１の半導体層５０を合わせ、第１のトランジスタ９０を形成していると考えてもよい。
【００１４】
また、第２のゲート電極６０も、基板の内部に配置されており、ゲート誘電層４０が、第２のゲート電極を覆っている。この場合も、第２のゲート電極６０は、基材２０の内部にある凹部で示されているが、このゲート電極は、基材の上部（すなわち、ゲート誘電層の内部にある凹部）に配置されていてもよい。この場合も、ゲート誘電層４０によって、第２のゲート電極６０が、第２のソース電極７２、第２のドレイン電極７４、第２の半導体層８０と隔離している。第２の半導体層８０は、第２のソース電極７２および第２のドレイン電極７４の上部を覆っており、これらの間に位置している。第２の半導体層は、第２のソース電極７２と第２のドレイン電極７４との間にチャネル長８２を有する。基材２０、第２のゲート電極６０、ゲート誘電層４０、第２のソース電極７２、第２のドレイン電極７４、第２の半導体層８０を合わせ、第２のトランジスタ９２を形成していると考えてもよい。ここで、基材２０とゲート誘電層４０は、２個のトランジスタで共有されていることに留意されたい。
【００１５】
また、この２個のトランジスタが、それ自身の基材とゲート誘電層を備えていてもよいことも想定されている。第１のトランジスタ９０と、第２のトランジスタ９２とは、互いに電気的に隔離されている。絶縁体９４は、ここでは、２個のトランジスタを隔離するものとして示されている。一般的に、２個以上のトランジスタが存在する場合、トランジスタは、互いに電気的に隔離されている。
【００１６】
図２は、ボトム−ゲート型でトップ−コンタクト型のＴＦＴ構造を用いた電子機器を示す。ここで、第１の半導体層５０と第２の半導体層８０は、ゲート誘電層４０の上部に配置されている。次いで、第１のソース電極４２と第１のドレイン電極４４は、第１の半導体層５０の上部に配置されている。次いで、第２のソース電極７２と第２のドレイン電極７４は、第２の半導体層８０の上部に配置されている。ここで、誘電層４０は、２個のトランジスタを隔離する壁を形成する形状になっている。
【００１７】
図３は、トップ−ゲート型でトップ−コンタクト型のＴＦＴ構造を用いた電子機器を示す。ここで、基材２０は、第１のソース電極４２、第１のドレイン電極４４、第１の半導体層５０と接している。第１の半導体層５０は、第１のソース電極４２および第１のドレイン電極４４の上部を覆っており、これらの間に位置している。基材２０は、第２のソース電極７２、第２のドレイン電極７４、第２の半導体層８０とも接している。第２の半導体層８０は、第２のソース電極７２および第２のドレイン電極７４の上部を覆っており、これらの間に位置している。ゲート誘電層４０は、第１の半導体層５０および第２の半導体層８０の上部に配置されている。第１のゲート電極３０と第２のゲート電極６０は、ゲート誘電層４０の上部にある。第１のゲート電極３０も第２のゲート電極６０も、第１の半導体層５０または第２の半導体層８０と接していない。
【００１８】
具体的な実施形態では、本開示の第１の半導体層５０は、カーボンナノチューブと、第１の半導体とを含む。第１の半導体は、ポリマー凝集物を形成可能なポリマーである。「ポリマー凝集物」との用語は、ポリマーが、溶解した個々の分子鎖を形成するよりも、ポリマー分子の他と区別可能な粒子またはクラスターを形成する能力を指す。このような粒子は、直径が、約数ナノメートル〜約数マイクロメートルである。複数の実施形態では、第１の半導体は、共役ポリマーであり、共役したポリマー凝集物は、粒径が、光散乱法を用いて決定した場合、約５ナノメートル〜約１マイクロメートルであり、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルを含む。
【００１９】
複数の実施形態では、ポリマーは、液体中、室温で安定な凝集体を形成することができる。種々のプロセスを使用し、ポリマー凝集体を作成することができ、限定されないが、米国特許第６，８９０，８６８号または第６，８０３，２６２号に開示されているものが挙げられ、これらは参照することで本明細書に完全に組み込まれる。
【００２０】
複数の実施形態では、第１の半導体は、式（Ｉ）の構造を有するポリチオフェンであり、
【化１】
2013079943.tif 000003
式中、Ａは、二価の結合部分であり、各Ｒは、独立して、水素、アルキル、置換アルキル、アルケニル、置換アルケニル、アルキニル、置換アルキニル、アリール、置換アリール、アルコキシまたは置換アルコキシ、ヘテロ原子を含む基、ハロゲン、−ＣＮまたは−ＮＯ２から選択され、ｎは、２〜約５，０００である。式（Ｉ）のポリチオフェンは、ホモポリマーであり、ポリマー凝集体を形成することができる。
【００２１】
「二価の結合部分」との用語は、２個の異なる水素以外の原子と単結合を形成し、これらの２個の異なる原子を互いに接続することができる任意の部分を指す。例示的な二価の結合部分としては、−Ｏ−、−ＮＨ−、アルキル、アリールが挙げられる。
【００２２】
二価の結合部分Ａは、式（Ｉ）の２個のチエニル部分それぞれに対し、単結合を形成する。例示的な二価の結合部分Ａとしては、以下のもの、
【化２】
2013079943.tif 000004
およびこれらの組み合わせが挙げられ、式中、各Ｒ’は、独立して、水素、アルキル、置換アルキル、アリール、置換アリール、アルコキシまたは置換アルコキシ、ヘテロ原子を含む基、ハロゲン、−ＣＮまたは−ＮＯ２から選択される。これらの部分が、二価の結合部分Ａに１つ以上存在していてもよい。それに加え、１個以上の特定の部分が二価の結合部分Ａに存在していてもよい。
【００２３】
二価の結合部分Ａは、常に、式（Ｉ）で示される２個のチオフェンモノマーとは異なっているだろうということに留意されたい。言いかえると、式（Ｉ）は、単なる１種類の部分から作られたポリチオフェンであるというところまでは狭まらないだろう。特定の実施形態では、Ａは、式（Ｉ）に示される２個のチオフェン部分とは異なるチエニル部分であってもよい。例えば、Ａがチエニル部分である場合、ＲおよびＲ’は、同じではない。
【００２４】
式（Ｉ）の特定の実施形態では、Ｒは、炭素原子を約６〜約２５個含むアルキルであるか、または、Ｒは、炭素原子を約８〜約１６個含むアルキルである。
【００２５】
いくつかの特定の実施形態では、第１の半導体は、式（ＩＩ）の構造を有するポリチオフェンであり、
【化３】
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式中、ｍは、２〜約２，５００である。ポリチオフェンは、ＰＱＴ−１２と呼ばれることがある。
【００２６】
第１の半導体層は、そのほかにカーボンナノチューブを含んでいる。カーボンナノチューブは、炭素の同素体である。カーボンナノチューブは、円筒形の炭素分子の形態をなしており、ナノテクノロジー、エレクトロニクス、光学分野、他の材料科学分野における広範囲の用途で有用な新しい特性を有している。カーボンナノチューブは、並はずれた強度を示し、固有の電気特性を示し、十分な熱伝導性を示す。ナノチューブの直径は小さく、典型的には、数ナノメートルの大きさである。ナノチューブの長さは、典型的には、これより長く、ある場合には、数ミリメートルまで達する。言いかえると、カーボンナノチューブは、高いアスペクト比、すなわち、直径に対する長さの比率を有していてもよい。
【００２７】
カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、または多層カーボンナノチューブであってもよい。単層カーボンナノチューブは、それぞれの炭素原子が他の４個の炭素原子と接続しており、長方形のグラフェンシート中の結合と似ている（が同じではない）円筒形である。多層カーボンナノチューブは、異なる直径を有する多くの円筒形カーボンナノチューブで構成されており、互いに同軸に作られている。カーボンナノチューブは、任意の適切な長さおよび直径を有していてもよい。
【００２８】
複数の実施形態では、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）である。ＳＷＣＮＴは、直径が約０．５ナノメートル〜約２．５ナノメートルであり、約０．７〜約２．５ナノメートルを含む。ある特定の実施形態では、ＳＷＣＮＴは、直径が、約０．７〜１．２ナノメートル、または約０．７〜約１．０ナノメートルであってもよい。ＳＷＣＮＴは、長さが、約０．１〜約１０マイクロメートルであってもよく、約０．５〜約５マイクロメートル、約０．５〜約２．５マイクロメートル、または約０．７〜約１．５マイクロメートルを含む。ＳＷＣＮＴのアスペクト比は、約５００〜約１０，０００であってもよく、約５００〜５，０００、または５００〜１５００を含む。これらの文章は、すべてのナノチューブが同じ直径、同じ長さ、または同じアスペクト比を有することが必要であると解釈されるべきではない。むしろ、ナノチューブは、上に列挙した分布範囲内で、異なる直径、異なる長さ、または異なるアスペクト比を有していてもよい。特定の実施形態では、カーボンナノチューブは、単層半導体カーボンナノチューブである。
【００２９】
他の実施形態では、カーボンナノチューブは、表面が改質されたカーボンナノチューブであってもよい。表面を改質する基は、カーボンナノチューブの壁面または末端に接続していてもよい。カーボンナノチューブの表面は、非共有結合および共有結合の２つの様式で改質されてもよい。
【００３０】
複数の実施形態では、表面が改質されたカーボンナノチューブは、以下の式によってあらわされてもよく、
【化４】
2013079943.tif 000006
式中、ＣＮＴは、カーボンナノチューブをあらわし、Ｒ１は、エステル（−ＣＯＯ−）およびアミド（−ＣＯＮＨ−）から選択される接続基であり、Ｒ２は、共役した基、共役していない基、低分子量の基、無機材料、およびこれらの組み合わせである。表面の改質度は、カーボンナノチューブあたり約１個の基を有するものから、カーボンナノチューブあたり約１０００個の基を有するものまでさまざまであってもよい。
【００３１】
カーボンナノチューブの表面は、共役した基、共役していない基、無機材料、およびこれらの組み合わせで改質されていてもよい。
【００３２】
例示的な共役した基としては、チオフェン系オリゴマー、ピレニル、フルオレニル、カルバゾリル、トリアリールアミン、フェニルを挙げることができる。共役した基は、カーボンナノチューブの表面に直接共有結合していてもよく、アミドまたはエステルのような接続基を介して結合していてもよい。
【００３３】
例示的な共役していない基としては、アルキル、アルコキシ、シアノ、ニトロ、ウレタン、スチレン、アクリレート、アミド、イミド、エステル、シロキサンを挙げることができる。また、カルボン酸、スルホン酸、ホスフィン酸、硫酸、硝酸、リン酸などからなる群から選択される酸部分を含む共役していない基も含まれる。特定の実施形態では、表面が改質されたカーボンナノチューブは、カルボン酸、硫酸、硝酸で改質されている。カーボンナノチューブに担持された酸は、半導体層の導電性を高め、トランジスタの電界効果移動度を高めるために、半導体、特にｐ型半導体にドープされてもよい。
【００３４】
具体的な実施形態では、無機材料は、導電性であってもよく、半導体性であってもよい。例示的な無機材料としては、金属および金属酸化物、例えば、金、銀、銅、ニッケル、亜鉛、カドミウム、パラジウム、白金、クロム、アルミニウム、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＺｎａＩｎｂＯｃ（ａ、ｂ、ｃは整数である）、ＧａＡｓ、ＺｎＯ・ＳｎＯ２、ＳｎＯ２、ガリウム、ゲルマニウム、スズ、インジウム、酸化インジウム、インジウムスズオキシドなどが挙げられる。無機材料は、カーボンナノチューブの表面を均一に覆っていてもよく、カーボンナノチューブの表面にナノ粒子の形態で存在していてもよい。具体的な実施形態では、表面が改質されたカーボンナノチューブは、金、銀、ニッケル、銅、ＺｎＯ、ＣｄＳｅ、ＺｎａＩｎｂＯｃ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ・ＳｎＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＳｅのナノ粒子からなる群から選択されるナノ粒子で改質されている。
【００３５】
カーボンナノチューブの表面を改質することによって、カーボンナノチューブと式（Ｉ）のポリチオフェンとの混和性を高めることができる。典型的には、ナノ粒子は、強いファンデルワールス力によって凝集物を形成しやすく、その結果、ナノサイズの分散を達成することは困難になる。表面の改質によって溶解度が上がり、ポリチオフェン中に、カーボンナノチューブをナノサイズで分散させることができる。表面が共役した部分で改質される場合、カーボンナノチューブとポリチオフェン半導体との電荷移動がよくなる。
【００３６】
カーボンナノチューブは、適切な方法によって表面改質されてもよい。例えば、反応部位がカーボンナノチューブの上に作られてもよく、次いで、オリゴマーまたは低分子量化合物が、この反応部位でナノチューブにグラフト結合してもよい。別のアプローチは、酸処理によるカーボンナノチューブ表面へのカルボン酸基の導入を含む。例えば、硫酸と硝酸の混合物を用い、カーボンナノチューブの表面にカルボン酸基を作成することができる。次いで、他の表面を改質する基を、カルボン酸基と反応させてもよい。他のアプローチは、プラズマ処理、または、ジクロロカルベンのような非常に反応性の化学物質と直接反応させることを含む。他の実施形態では、カーボンナノチューブは、表面が改質されていない。
【００３７】
第１の半導体は、溶媒を含む半導体組成物中で、カーボンナノチューブを安定化することができる。この安定化は、いくつかの異なる機構によって行うことができる。複数の実施形態では、ポリマー凝集物を形成することができる性質は、半導体組成物中にカーボンナノチューブを分散させ、安定化するのに役立つ。結果として、ポリマー凝集物は、溶媒にカーボンナノチューブを分散させ、安定化するのに役立つ。他の実施形態では、分散したカーボンナノチューブは、核として機能し、第１の半導体が、個々のカーボンナノチューブを包み込み、カーボンナノチューブおよび第１の半導体のナノ凝集物を形成する。これらのナノ凝集物は、ポリマー凝集物とともに存在していてもよい。半導体で包まれたカーボンナノチューブおよび／または半導体ポリマー凝集物の存在は、高解像度透過型電子顕微鏡技術または原子間力顕微鏡技術のような適切な道具を用いて調べることができる。
【００３８】
第１の半導体層５０は、第１の半導体およびカーボンナノチューブの合計重量を基準として、約１〜約５０重量％のカーボンナノチューブを含んでいてもよい。ある実施形態では、カーボンナノチューブは、第１の半導体層の約３〜約４０重量％含まれる。
【００３９】
第１の半導体層中のカーボンナノチューブと第１の半導体との重量比は、約１：９９〜約５０：５０であってもよい。ある実施形態では、第１の半導体層中のカーボンナノチューブとポリチオフェンとの重量比は、約５：９５〜約４０：６０である。
【００４０】
電子機器が第２のトランジスタを備えるある種の特定の実施形態では、第２のトランジスタの第２の半導体層８０は、第２の半導体を含んでいるが、カーボンナノチューブは含んでいない。例示的な半導体としては、限定されないが、アセン、例えば、アントラセン、テトラセン、ペンタセン、ルブレン、置換ペンタセン、例えば、ＴＩＰＳ−ペンタセン、ペリレン、フラーレン、オリゴチオフェン、ポリチオフェンおよびこれらの置換された誘導体、ポリピロール、ポリ−ｐ−フェニレン、ポリ−ｐ−フェニルビニリデン、ナフタレンジカルボン酸二無水物、ナフタレン−ビスイミド、ポリナフタレン、フタロシアニン、例えば、銅フタロシアニン、チタニルフタロシアニン、または亜鉛フタロシアニンおよびこれらの置換された誘導体、他の融合環構造、例えば、置換ベンゾチエノ［３，２−ｂ］ベンゾチオフェン、トリエチルシリルエチニルアントラジチオフェンなどが挙げられる。
【００４１】
特定の実施形態では、第２の半導体はポリチオフェンである。さらに特定的な実施形態では、第２の半導体は、上述のような式（Ｉ）または式（ＩＩ）の構造を有するポリチオフェンである。第２のトランジスタの第２の半導体層８０中のポリチオフェンは、第１のトランジスタの第１の半導体層５０中のポリチオフェンと同じポリチオフェンであってもよく、異なるポリチオフェンであってもよい。第２の半導体層８０は、カーボンナノチューブを含まないか、または実質的に含まない。ある実施形態では、第１の半導体層５０と第２の半導体層８０のポリチオフェンは、両方とも、式（ＩＩ）で示されるＰＱＴ−１２である。
【００４２】
第１の半導体とカーボンナノチューブとを含む第１の半導体層は、一般的に、溶液析出法によって作られる。この観点で、第１の半導体（例えばポリチオフェン）にカーボンナノチューブを良好に分散させるには、２工程プロセスを使用しなければならないことがわかっている。一般的に言うと、カーボンナノチューブと、第１の量の第１の半導体とを液体に分散し、第１の分散物を作成する。次いで、第２の量の第１の半導体を第１の分散物に加え、添加された分散物を作成する。次いで、第２の量の第１の半導体を、上の添加された分散物に溶解または分散させ、最終的な分散物を作成する。
【００４３】
言いかえると、カーボンナノチューブを、溶媒中、第１の量のポリチオフェンに分散させ、第１の分散物を作成する。カーボンナノチューブは、ポリチオフェンによって安定化する。次いで、第２の量のポリチオフェンを第１の分散物に加え、添加された分散物を作成する。次いで、第２の量のポリチオフェンを、この添加された分散物に分散させ、最終的な分散物を作成する。複数の実施形態では、ポリチオフェンは、液体中でポリマー凝集物を形成することができる。
【００４４】
第１の半導体（ポリマーである）とカーボンナノチューブの混合物を、通常は第１の高温まで加熱し、第１の半導体を少なくとも部分的に溶解させる。次いで、この温かい混合物を、第１の低温まで下げ、プローブで超音波処理して第１の分散物を作成する。超音波処理は、第１の低温まで温度を下げる前、下げている間、または下げた後に行ってもよい。温度を下げている間に、第１の半導体ポリマーは、第１の低温でポリマー凝集物を形成し、カーボンナノチューブは、第１の半導体ポリマーおよびポリマー凝集物によって分散し、安定化する。カーボンナノチューブをポリチオフェンにきわめて高い添加量で十分に分散させることができる（すなわち、１：１に近い重量比）。次いで、第２の量の第１の半導体を第１の分散物に加え、添加された分散物を作成する。添加された分散物を、場合により、第２の高温まで加熱し、この第２の高温で、第２の量の第１の半導体は、液体に少なくとも部分的に溶解する。添加された分散物を、第２の低温（第２の高温よりも低い）まで下げ、超音波浴で処理し、最終的な分散物を作成する。ある実施形態では、第１の高温は、第２の高温と同じである。他の実施形態では、第１の高温は、第２の高温よりも、５〜約１００℃高く、１０〜約５０℃高い場合を含む。ある実施形態では、第１の低温は、室温よりも低く、第２の低温は、室温である。他の実施形態では、第１の低温も第２の低温も、室温よりも低い。第２の低温まで下げた後、組成物を室温にする。
【００４５】
複数の実施形態では、第１の分散物を、プローブによる超音波処理を用いて作成し、最終的な分散物を、浴による超音波処理を用いて作成する。用語「プローブによる超音波処理」は、プローブを、分散物を含む容器に挿入する超音波処理を指す。用語「浴による超音波処理」は、分散物を含む容器を浴に入れ、次いで、浴を超音波処理するような超音波処理を指す。プローブによる超音波処理は、浴による超音波処理と比べて、かなり大きなエネルギー／力を与える。言いかえると、２段階プロセスの場合、第１の分散工程の間は、高い力または高いエネルギーを用い、一方、第２の分散工程の間は、かなり低いエネルギー／力を用いる。
【００４６】
当該技術分野で既知のプロセスを用い、電子機器中に２個の半導体層を作成してもよい。複数の実施形態では、半導体層は、液相析出技術を用いて作成される。例示的な液相析出技術としては、スピンコーティング、ブレードコーティング、ロッドコーティング、浸漬コーティング、スクリーン印刷、インクジェット印刷、スタンピング、ステンシル印刷、スクリーン印刷、グラビア印刷、フレキソ印刷などが挙げられる。または、半導体層を蒸着してもよい。
【００４７】
各半導体層は、深さが約５ナノメートルから約１０００ナノメートルであってもよい（約２０〜約１００ナノメートルを含む）。特定の構造（例えば、図１に示される構造）において、半導体層は、ソース電極とドレイン電極を完全に覆っている。
【００４８】
薄膜トランジスタは、一般的に、半導体層に加え、基板と、任意要素のゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、誘電層とを備えている。上にすでに記載したように、本開示の電子機器中の２個のトランジスタは、基材と誘電層を共有していてもよい。
【００４９】
基板は、限定されないが、ケイ素、ガラス板、プラスチック膜またはシートを含む材料で構成されていてもよい。構造的に可とう性の機器では、例えば、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドのシートなどのようなプラスチック基板が好ましい場合がある。基板の厚みは、約１０マイクロメートルから１０ミリメートルを超えていてもよく、例示的な厚みは、特に、可とう性プラスチック基板の場合には、約５０〜約１００マイクロメートル、ガラスまたはケイ素のような剛性基板の場合には、約０．５〜約１０ミリメートルであってもよい。
【００５０】
誘電層は、一般的に、無機材料の膜、有機材料の膜、または有機−無機コンポジットの膜であってもよい。誘電層として適する無機材料の例としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムジルコニウムなどが挙げられる。適切な有機ポリマーの例としては、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリ（ビニルフェノール）、ポリイミド、ポリスチレン、ポリメタクリレート、ポリアクリレート、エポキシ樹脂などが挙げられる。誘電層の厚みは、使用される材料の誘電率によって変わり、例えば、約１０ナノメートル〜約５００ナノメートルであってもよい。誘電層は、導電率が、例えば、約１０−１２ジーメンス／センチメートル（Ｓ／ｃｍ）未満であってもよい。誘電層は、ゲート電極を作成するときに記載したプロセスを含む、当該技術分野で知られる従来のプロセスによって作られる。
【００５１】
本開示において、誘電層は、表面改質剤で表面が改質されていてもよい。上の２個の半導体層は、この改質された誘電層表面に直接接していてもよい。完全に接触していてもよいし、部分的に接触していてもよい。この表面改質は、誘電層と半導体層との間に界面層を作成すると考えることもできる。特定の実施形態では、誘電層の表面は、式（Ａ）の有機シラン薬剤で改質されており、
【化５】
2013079943.tif 000007
式中、Ｒは、炭素原子を１〜約２０個含む炭化水素またはフルオロカーボンであり、Ｒ’’は、ハロゲンまたはアルコキシであり、ｍは、１〜４の整数である。例示的な有機シランとしては、オクチルトリクロロシラン（ＯＴＳ−８）（Ｒ＝オクチル、Ｒ’’＝クロロ、ｍ＝１）、ドデシルトリクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、メチルトリメトキシルシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジクロロシラン、（３−フェニルプロピル）ジメチルクロロシラン、（３−フェニルプロピル）メチルジクロロシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェネチルトリクロロシランなどが挙げられる。特定の実施形態では、Ｒは、フェニル基を含む。他の表面改質剤（例えば、ポリスチレン、ポリシロキサン、ポリシルセスキオキサン）も同様に使用することができる。
【００５２】
ゲート電極は、導電性材料で構成されている。ゲート電極は、金属の薄膜、導電性ポリマー膜、導電性インクまたはペーストから作られる導電性膜、または基板自体（例えば、重金属がドープされたケイ素）であってもよい。ゲート電極の材料の例としては、限定されないが、アルミニウム、金、銀、クロム、インジウムスズ酸化物、導電性ポリマー、例えば、ポリスチレンスルホネートがドープされたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＳＳ−ＰＥＤＯＴ）、カーボンブラック／グラファイトで構成される導電性インク／ペーストが挙げられる。ゲート電極は、減圧エバポレーション、金属または導電性金属酸化物のスパッタリング、従来のリソグラフィーおよびエッチング、化学真空蒸着、スピンコーティング、鋳造または印刷、または他の析出プロセスによって調製されてもよい。ゲート電極の厚みは、例えば、金属膜の場合には、約１０〜約２００ナノメートル、導電性ポリマーの場合には、約１〜約１０マイクロメートルの範囲である。ソース電極およびドレイン電極として用いるのに適した、典型的な材料としては、アルミニウム、金、銀、クロム、亜鉛、インジウム、導電性金属酸化物、例えば、亜鉛−ガリウム酸化物、インジウムスズ酸化物、インジウム−アンチモン酸化物、導電性ポリマーおよび導電性インクのようなゲート電極の材料が挙げられる。ソース電極およびドレイン電極の典型的な厚みは、例えば、約４０ナノメートル〜約１マイクロメートルであり、より特定的な厚みは、約１００〜約４００ナノメートルである。
【００５３】
ソース電極およびドレイン電極として用いるのに適した、典型的な材料としては、金、銀、ニッケル、アルミニウム、白金、導電性ポリマー、導電性インクのようなゲート電極の材料が挙げられる。特定の実施形態では、電極材料は、半導体に対する接触抵抗が低い。典型的な厚みは、例えば、約４０ナノメートル〜約１マイクロメートルであり、より特定的な厚みは、約１００〜約４００ナノメートルである。本開示のＯＴＦＴ機器は、半導体チャネルを含む。半導体チャネルの幅は、例えば、約５マイクロメートル〜約５ミリメートルであってもよく、特定的なチャネルの幅は、約１００マイクロメートル〜約１ミリメートルである。半導体チャネルの長さは、例えば、約１マイクロメートル〜約１ミリメートルであってもよく、より特定的なチャネルの長さは、約５マイクロメートル〜約１００マイクロメートルである。
【００５４】
各ソース電極は、接地されており、適切なゲート電極に、例えば、約＋１０ボルト〜約−８０ボルトの電圧がかけられる場合、半導体チャネルを通って移動する電荷キャリアを集めるために、例えば、約０ボルト〜約８０ボルトのバイアス電圧がドレイン電極にかけられる。電極は、当該技術分野で既知の従来のプロセスを用いて作成されるか、または析出されてもよい。
【００５５】
所望な場合、電気的性質を破壊し得る環境条件（例えば、光、酸素、水分など）から守るために、防御層をＴＦＴの上部に堆積させてもよい。このような防御層は、当該技術分野で知られており、単にポリマーからなるものであってもよい。
【００５６】
ＯＴＦＴの種々の要素を、任意の順序で基板の上に堆積させてもよい。しかし、一般的に、ゲート電極および半導体層は、両方ともゲート誘電層に接していなければならない。それに加え、ソース電極およびドレイン電極は、両方とも半導体層に接していなければならない。句「任意の順序で」は、順次作成すること、同時に作成することを含む。例えば、ソース電極およびドレイン電極を同時に作成してもよく、順次作成してもよい。用語基板「の上（ｏｎ）」または基板「の上（ｕｐｏｎ）」は、底部または支持板であるような基板に対し、基板の上部にある層および要素である種々の層および要素を指す。言い換えると、すべての要素は、すべてが基板と直接接していない場合であっても、基板の上にある。例えば、誘電層および半導体層は、一方の層が他の層よりも基板に近い場合であっても、両方とも基板の上にある。得られたＴＦＴは、良好な移動度を有し、良好な電流オン／オフ比を有する。
【００５７】
一般的に言うと、電子機器のトランジスタを化学センサとして使用する。電子機器のトランジスタ（または各トランジスタ）の電荷キャリア移動度を、周囲の空気にさらされた状態で測定し、この測定値をベースラインとして使用する。次いで、この電子機器を、特定の化学物質を含む蒸気の流れにさらし、電荷キャリア移動度の変化（絶対的変化、相対変化、または両者）を用い、特定の化学化合物を特定することができる。特定のトランジスタは、一般的に、異なる化学物質にさらされると、異なる応答をする。この応答により、化学化合物を大まかに特定する（例えば、特定の分類に含まれる、または特定の化学構造を含む）か、または、具体的に特定することができる。この特定は、電荷キャリア移動度の変化が、化合物の分類または具体的な化学化合物に関連するというリファレンステーブルと比較することによって行うことができる。
【００５８】
電子機器に第１のトランジスタと第２のトランジスタを用いる場合、各トランジスタは、蒸気の流れに含まれる所与の化学化合物に対し、独立して応答する。２種類（またはそれ以上の）トランジスタ間の応答の差によって、化学化合物の存在または属性を独立して確認する。特定的には、特定可能な爆発性化合物、または爆発性化合物の存在を示唆し得る化合物が想定されている。一般的に、化学化合物が存在する状態で、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタから得られる電荷キャリア移動度を試験し、化合物を特定する。
【００５９】
さらに具体的には、第１のトランジスタと第２のトランジスタとを備える電子機器が、蒸気の流れにさらされる可能性があるカートリッジの形態で作られることが想定されている。次いで、カートリッジを手持ち式のスキャナ／リーダと組み合わせて使用し、蒸気の流れに関するデータを読み取り、処理し、解釈するか、または得て、また、適切な表示を作成し、データを保存などする。次いで、所望な場合、カートリッジを処分してもよい。
【００６０】
本明細書に開示した爆発性化合物を検出する方法には、電子機器を入れる方法がある。この電子機器は、第１のトランジスタを少なくとも備えており、この第１のトランジスタは、第１の半導体層を備えている。電子機器は、蒸気の流れにさらされる。次いで、電子機器の応答を試験し、蒸気の流れに含まれる化合物の存在を決定し、このことは、爆発性化合物の存在を示している。電子機器は、ここでは、最初に蒸気の流れにさらされ、次いで、スキャナ／リーダに挿入されるチップであってもよい。または、チップをスキャナ／リーダに挿入し、次いで、蒸気の流れにさらされる。このチップを使用し、蒸気の流れに特定の化合物が存在するかしないかを決定し、このことによって、爆発性化合物の存在を示すことができる。例えば、チップで検出される、蒸気の流れに含まれる特定の化合物は、爆発性化合物自体、分解フラグメント、爆発性化合物の製造に用いられる溶媒、または、ある種の他の指示薬であってもよい。１個のトランジスタを用い、１種類の具体的な化合物だけではなく、複数の異なる化学化合物を検出することができることを注記しておくべきである。例えば、電荷キャリア移動度の変化が１０％であることは、化合物Ａが存在することを示し、一方、変化が２０％であることは、化合物Ｂが存在することを示す。
【実施例】
【００６１】
（実施例１）
単層カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を、１，２−ジクロロベンゼンに０．１重量％の濃度になるまで加えた。この混合物を出力５０％で２０秒間、プローブによって超音波処理した。ＰＱＴ−１２の濃度が０．１重量％になるまで、このＣＮＴ分散物にＰＱＴ−１２粉末を加えた。ＣＮＴとＰＱＴ−１２との重量比は１：２であった。この混合物を加温し、ＰＱＴ−１２を溶解させ、次いで、プローブによって２０秒間超音波処理した。ＰＱＴナノ粒子中のＣＮＴ分散物が得られ、この分散物は非常に安定であった。このＰＱＴ／ＣＮＴ分散物を３，５００ｒｐｍで３０分間遠心分離処理し、凝集物を除去した。
【００６２】
１，２−ジクロロベンゼン中に０．５重量％のＰＱＴ−１２を含む、第２のＰＱＴを含む分散物を作成した。ＰＱＴ／ＣＮＴ分散物と、ＰＱＴを含む分散物とを適切な比率で混合し、ＰＱＴに対するＣＮＴの重量比が５％である最終混合物を得た。次いで、この混合物を浴によって超音波処理し、安定な組成物を作成した。
【００６３】
（実施例２）
実施例１のＰＱＴ−１２／ＣＮＴ組成物を用い、ケイ素ウェハ基板上にＴＦＴを製造し、半導体層を作成した。Ｎ−ドープされたケイ素は、ゲートとして機能し、２００ナノメートルの酸化ケイ素層は、ゲート誘電層として機能した。酸化ケイ素を、オクチルトリクロロシランで改質した。ＰＱＴ−１２／ＣＮＴ組成物をウェハ上に１，０００〜２，０００ｒｐｍでスピンコーティングし、半導体層を作成した。この半導体層を８０℃で乾燥し、減圧乾燥器中、１４０℃でアニーリングした。金のソース電極およびドレイン電極を、シャドウマスクによって半導体層の上にエバポレーションした。ＴＦＴは、ＰＱＴ−１２とカーボンナノチューブとから作られた半導体層を備えており、以下、これを「５％ＣＮＴ」と称する。
【００６４】
（実施例３）
０．３重量％  ＰＱＴ−１２の１，２−ジクロロベンゼン分散物を用い、ケイ素ウェハ基板上にＴＦＴを製造し、半導体層を作成した。Ｎ−ドープされたケイ素は、ゲートとして機能し、２０ナノメートルの酸化ケイ素層は、ゲート誘電層として機能した。酸化ケイ素を、オクチルトリクロロシランで改質した。ＰＱＴ−１２組成物をウェハ上に１，０００〜２，０００ｒｐｍでスピンコーティングし、半導体層を作成した。この半導体層を８０℃で乾燥し、減圧乾燥器中、１４０℃でアニーリングした。金のソース電極およびドレイン電極を、シャドウマスクによって半導体層の上にエバポレーションした。これらのＴＦＴは、ＰＱＴ−１２から作られた半導体層を備えており、半導体層には、カーボンナノチューブは含まれていなかった。以下、これを「ＰＱＴ」と称する。
【００６５】
（試験および結果）
実施例２および３のＴＦＴのＩ−Ｖ曲線を、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ＳＣＳ−４２００システムを用いて最初に特性決定し、電荷キャリア移動度を算出した。
【００６６】
新しい機器のＩ−Ｖ曲線を測定した後、実施例２および３のＴＦＴを、室温で２０分間、種々の有機溶媒にさらした。次いで、この機器を同じ測定条件を用いて再び測定し、電荷キャリア移動度を決定した。応答の変化を、コントロールと比較した割合として決定した。各ＴＦＴおよび各有機溶媒について、電荷キャリア移動度の変化率を示す棒グラフを図４として提示する。
【００６７】
実施例３のＰＱＴトランジスタ（半導体層にＰＱＴ−１２のみを含む）は、芳香族溶媒、ニトロベンゼン、ジクロロベンゼン、ｍ−キシレン、トルエンに対し、良好な応答性を示した。しかし、このＰＱＴトランジスタは、アルコール系溶媒、例えば、ｎ−ブタノール、イソプロピルアルコール、エタノールに対し、ほとんど応答を示さないか、まったく応答を示さなかった。クロロホルムに対する応答はほとんど無視でき、一方、ジクロロメタンに対する応答は、非常に小さかった。
【００６８】
実施例２の５％ＣＮＴトランジスタ（半導体層にＰＱＴ−１２とカーボンナノチューブを含む）は、一般的に、試験した全溶媒に対し、良好な応答性を示し、最も変化が小さいのはジクロロメタンの場合であった。また、この５％ＣＮＴトランジスタは、実施例３のトランジスタと比較して、ｎ−ブタノールに対し、高い応答を示した。
【００６９】
以下の表１は、各溶媒について、各トランジスタの応答の変化率％と、ＰＱＴ／５％ＣＮＴの比を示している。
【表１】
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【００７０】
両トランジスタのベースライン測定から、トランジスタは、溶媒にさらされなければ安定であることが示された。実施例３のＰＱＴトランジスタの応答率％が、ｍ−キシレンに対する応答率％とトルエンに対する応答率％が同じであったことを注記しておくべきである。実施例２の５％ＣＮＴトランジスタの場合、エタノールに対する応答率％とジクロロメタンに対する応答率％は、ほぼ同じであった。しかし、この２種類のトランジスタの応答率を、それぞれの比率で組み合わせ、５％ＣＮＴトランジスタを用いた応答率％の違いによって、ｍ−キシレンとトルエンを識別することができた。同様に、ＰＱＴトランジスタを用いた応答率％の違いによって、エタノールとジクロロメタンを識別することができた。２種類のトランジスタを用いると、溶媒の存在を独立して確認し、溶媒の属性を独立して確認するのに役立つ。
【００７１】
両トランジスタは、ニトロベンゼン溶媒に対し、良好な応答率を示した。この溶媒は、ニトロ芳香族化合物の代表例であり、ニトロ芳香族化合物としては、ＴＮＴ、ＲＤＸ、ＰＥＴＮのような爆発性化合物が含まれる。このことは、本開示の電子機器が、このような爆発性化合物の検出に有用であると思われ、使い捨て可能なＴＦＴセンサセンサとして有用であることを意味している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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