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，同时，酶是一种天然生物催化剂，具有特异性和可再生性，因此可以用来构建灵敏的传感器。

基于碳纳米管晶体的氢气传感器

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。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。

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，同时这也为进一步探索全碳基集成电路提供了深入见解。对于相关论文审稿人评价称：“研究人员展示了面积小于 1 平方微米的 6 管 SRAM 单元，是新型集成电路技术的里程碑。”

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。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。

高灵敏度氢气传感器的新解决方案

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。

为了制备多壁碳纳米管，采用了一种新的方法，使用微波炉对二茂铁和石墨进行处理，通过调整二茂铁和石墨的比例，得到了不同比例的MWNTs。这些MWNTs，经过硝酸处理和超声处理后，通过离心和重悬的步骤，最终得到了平均外径为55 nm的碳纳米管。在酸处理的过程中，化学官能团被插入到碳纳米管的末端和侧壁，从而增强了其亲水性，这种处理方法，可以提高碳纳米管的性能。为了对生长的碳纳米管进行微观结构表征，使用了卡尔蔡司LEO-Supra 50VP的场发射扫描电子显微镜，在室温下，记录了拉曼光谱，范围为1100-1800 cm^-1。

为了检查石墨晶体质量，使用了激发波长为633nm的He-Ne激光器，这些实验方法帮助更好地了解碳纳米管的微观结构，为了制造金属半导体-金属气体传感器。需要在硅晶片上，通过湿氧化沉积一层厚度为300纳米的SiO2层，然后，在SiO2基板上，使用RF磁控溅射系统，通过金属掩模沉积一层厚度为100 nm的钯接触，这些接触，指的电极手指宽度为0.35毫米，长度为3.4毫米，之间的间隙为0.40毫米。

为了与交流电源电接触，这些电极已经使用铜线和银浆连接起来，为了制备碳纳米管溶液，首先使用微波炉合成3毫克的多壁碳纳米管，并使用硝酸铵进行功能化处理，使其分散在20毫升乙醇溶液中。然后将溶液进行超声处理60分钟，以确保碳纳米管在溶液中得到良好的分散和稳定，最终，碳纳米管溶液的浓度约为150微克毫升。接下来，将0.5微升的碳纳米管溶液，滴在频率为10赫兹、电压为50伏特的交流电场下的钯电极之间。滴在电极之间基板上的溶液，是通过微量移液管滴取约10微升的碳乙醇溶液，通过交流电泳的方法，碳纳米管被沉积在钯电极上。为了评估碳纳米管的气敏特性，使用了一套商用传感系统，其中包括配备吉时利2400源仪表的设备。

在实验中，通过测量电流-电压曲线，来测试传感器在0.05伏特恒定施加电压下的响应，同时，将总流量保持在1000标准立方厘米分钟的水平。传感器被放置在一个自制的腔室中，两个Pd电极连接到由Keithley 2400源表控制的计算机上，然后，在不同的工作温度下暴露传感器于稀释的氢气中，气体浓度范围在20到140 ppm之间。为了获得不同浓度的气体，使用两个气体流量控制器，来控制主要气体与干燥空气的混合比例。

通过以上方法，可以评估碳纳米管传感器对氢气的响应情况，并了解其在不同温度和浓度条件下的气敏特性。这项研究，成功开发了一种高灵敏度、高效率、低成本的氢气传感器，使用碳纳米管作为关键材料，制备这种传感器的过程也非常简单。该传感器的检测性能相当出色，灵敏度显著提高，为高性能气体传感器的发展，提供了新的方向，此外，在室温下工作，功耗非常低，非常适合在电源有限的偏远地区使用。

文章来源： 流年叙语，传感器专家网