氢气是一种无色、无味、易燃的气体，对人体健康具有潜在威胁。在化工厂和实验室中，如果氢气浓度过高，可能会导致火灾、爆炸等严重后果。因此，实时、精确地监测氢气浓度变得至关重要。

近日，北京大学彭练矛院士/张志勇教授团队造出一款基于阵列碳纳米管的 90nm 碳纳米管晶体管，具备可以高度集成的能力。基于该90nm 碳纳米管晶体管技术，目前该团队研发的高灵敏碳纳米管晶体管氢气传感器产品已经上市，其探测限可以达到 0.5ppm，属于最高端的氢气传感器产品，也是世界首款碳纳米管芯片产品。

高灵敏度的H2传感器应运而生

随着全球对清洁能源的需求增加，氢气作为理想能源备受关注，然而，由于其具有爆炸性和无色无味的特点，一旦泄漏就会导致严重事故，因此，开发氢气传感器，以实时监测氢气浓度并预防事故的发生，非常重要。

碳纳米管（CNT）是一种新型纳米材料，在传感器领域被广泛应用，它具有出色的电化学性能和高比表面积，因此可以用来构建灵敏的传感器。碳纳米管，是一种具有卓越机械、化学和电子特性的纳米材料，其半导体金属特性取决于其直径。

自1991年发现以来，CNT引起了科学界的广泛兴趣，并被认为是具有前景的材料，可应用于纳米电子学、场发射器件和多功能复合材料等领域。在气体传感方面，CNT因其纳米级制度和空心几何形状具有较大的表面积，因此被广泛研究应用于气体传感器中，过去的研究表明，基于CNT的气体传感器可以通过电泳制备，通过使用一些极端酸，进行回流处理。

CNT表面可以进行功能化，增强其表面积并改变形貌特征，从而提高对目标气体的吸附能力，氢气作为重要组成部分，在许多应用中扮演着重要角色，如加氢过程、石油转化、焊接和化学生产等。高浓度的H2，在空气中具有爆炸性和易燃性，因此，开发高灵敏度的H2传感器是一个重要挑战。

基于碳纳米管的氢气传感器，已成功用作有源传感材料，由于H2是无色无味的，人类的感官无法检测到其存在，因此，早期发现H2对于确保安全运行，非常重要。特别是在能源设备或燃料电池汽车中，因为H2泄漏，可能导致致命的爆炸事故，最近的研究主要集中在，基于碳纳米管复合材料，对其他气体如NO2和NH3的响应上。

一些研究表明，添加金属和金属氧化物到碳纳米管中，可以提高其对H2的检测能力，因此，基于碳纳米管的高灵敏度氢气传感器，具有快速响应、高灵敏度和良好的选择性等优点，为氢气安全监测和能源利用，提供了一种新的解决方案。这一领域的研究，将进一步推动气体传感器技术的发展，为未来的应用提供更多可能性，利用多壁碳纳米管制备的氢气传感器，在常温下，对低浓度的氢气，具有高灵敏度和快速响应的特点。

另外，通过功能化的多壁碳纳米管制备传感器，在暴露后，对不同浓度的氢气，表现出不同的灵敏度和恢复时间，这种高性能的氢气传感器不仅具有高灵敏度，而且制造方法简单，有望降低成本和工作功耗。

北大团队研发90nm 碳纳米管晶体管

在 90nm 及以下技术节点的数字集成电路中，碳纳米管半导体具备一定的应用潜力。研究中，通过利用该团队此前研发的碳纳米管阵列薄膜，以及借助缩减晶体管栅长和源漏接触长度的手段，课题组制备出栅间距（CGP， contacted gate pitch）为 175nm 的碳纳米管晶体管，其开态电流达到 2.24mA/μm、峰值跨导 gm 为 1.64mS/μm。相比 45nm 的硅基商用节点器件，该晶体管的性能更高。

基于此，该团队根据业界的集成度标准，制备一款静态随机存取存储器单元（SRAM，Static Random-Access Memory），其整体面积仅有 0.976 平方微米，包含 6 个晶体管（6T）。

在主流的数字集成电路技术中，SRAM 单元面积是衡量实际集成密度的重要参数。尽管大量研究都曾演示过碳纳米管或低维半导体材料的 6T SRAM，但是它们的单元面积远远大于硅基 90nm 节点的 SRAM 单元，在集成度依然有待提高。而该课题组首次采用非硅基的半导体材料，造出整体面积小于 1 平方微米的 6-T SRAM 电路，这表明碳基数字集成电路完全可以满足 90nm 技术节点的集成度需求。

在此基础之上，该团队进一步探索了碳基晶体管缩减的可能性，证明按照严格的工业门标准，完全可以将碳基晶体管缩减到亚 10nm 的技术节点。

考虑到低维半导体器件在接触电阻的时候，会让电阻随着接触长度的缩减而出现急剧增大，这会让器件的整体尺寸无法缩减。为此，课题组提出全接触的结构，结合侧面接触和末端接触的载流子注入机制，让器件不仅表现出更低的接触电阻，并能拥有更弱的接触长度依赖性。基于全接触的结构，该团队尝试将碳管晶体管 CGP 缩减至 55nm，这对应着硅基晶体管中的 10nm 技术节点。与此同时，这款碳管晶体管的性能却优于基于硅基的 10nm 节点的 PMOS 晶体管。

本次成果同时展示了碳纳米管晶体管在性能和集成度上的优势，结合其工艺简单、低功耗以及适合单片三维集成的特点，将让碳纳米管晶体管技术在高性能数字集成电路领域中发挥重大优势，从而成为一种通用的芯片平台技术，进而有望用于高性能计算、人工智能、宽带通信、智能传感等领域。

据了解，集成电路的主要发展方式是通过缩减晶体管尺寸提高性能和集成度，同时降低功耗和制造成本。为了继续推进集成电路的发展，针对未来电子学的核心材料、器件结构以及系统架构，学界和业界进行了广泛探索和深入研究。

其中，最受关注的方式是：采用超薄、高载流子迁移率的半导体，来构建包括二维半导体材料、一维半导体纳米线和碳纳米管等 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）器件，这些器件比硅基晶体管具有更好的可缩减性和更高的性能。因此，一直以来人们使用这些器件来构建纳米晶体管。

碳纳米管芯片即将走出学术期刊

目前，碳纳米管晶体管已经展现出超越商用硅基晶体管的潜力，在数字集成电路应用中被寄予厚望。最终，相关论文以《将对齐的碳纳米管晶体管缩放到低于 10nm 节点》（Scaling aligned carbon nanotube transistors to a sub-10nm node）为题发在 Nature Electronics。北京大学前沿交叉学科研究院博士生林艳霞和北京大学碳基电子学研究中心曹宇副研究员是共同一作，北京元芯碳基集成电路研究院、北京大学电子学院、碳基电子学研究中心彭练矛院士和张志勇教授担任共同通讯作者。

另据悉，目前该团队研发的高灵敏碳纳米管晶体管氢气传感器产品已经上市，其探测限可以达到 0.5ppm，属于最高端的氢气传感器产品，也是世界首款碳纳米管芯片产品。相关的碳纳米管生物传感芯片也在研发中，预计近两年将会推向市场，以用于食品安全、病毒检测、慢病早筛、医学诊断等领域。

张志勇表示：“我们在碳基材料和器件制备领域掌握了核心技术，并已初步打通材料、器件和芯片展示的主要环节，具备面向未来的技术推进能力和设备升级能力。”结合传统集成电路的加工、设计平台和技术，以及组织管理经验，该团队完全有可能在全球领域内率先取得突破。

而随着碳基电子技术的发展，也有望产生全新的芯片技术和新的产业链。从目前的技术发展趋势来看，碳纳米管芯片正处于工程化的迭代过程，未来即将形成完整的技术链条。不过，要想造出能用于高端数字集成电路还需要一定的时间，因此可以采取“沿途下蛋”的方法。

具体来说，碳基电子技术将在未来 3 年左右用于传感器芯片领域，以及在未来 5-8 年左右用于射频芯片领域，并将在未来 15 年内用于高端数字芯片领域。到 2037 年，有望实现碳基 7nm 工艺（相当于硅基 2/1nm 工艺），届时将形成完整的碳基电子产业生态，碳基芯片也将被真正用于主流高性能逻辑芯片领域，从而让碳基电子技术全面超越传统半导体技术。

最后，张志勇表示：“未来已来，碳纳米管芯片即将走出学术期刊，走进我们的生活。”

文章来源： 传感器专家网，德克西尔，流年叙语