氢气作为一种新型清洁能源在众多领域中有着广泛应用。由于其易燃易爆的特点，氢气泄露早期检测至关重要，不同应用领域存在不同检测浓度需求，在核电安全、深空探测等特种领域甚至需要对亚10ppb氢气浓度进行有效检测。目前，对于氢气探测的研究主要集中于爆炸极限（4%）附近的浓度范围检测，鲜有对超灵敏氢气探测的深入研究。半导体碳纳米管有着超薄、高载流子迁移率、低噪声等优点，是气体传感领域最有前景的材料之一，然而由于氢原子尺寸极小、分子无极性，ppb量级碳基氢气探测仍难以实现。
左图为浮栅型器件结构示意图，右图为器件性能对比展示图
湘潭大学湖南先进传感与信息技术创新研究院、北京大学纳米器件物理与化学重点实验室张志勇教授课题组针对这一问题创新性提出基于碳纳米管薄膜的浮栅型氢气传感器，并对该结构相比传统电阻式结构的机制差异进行了详细阐述。通过性能对比展示了浮栅结构器件灵敏度的显著提升，在100ppm浓度氢气下响应提升超过10倍；展示了器件选择性的显著优化，在提升氢气灵敏度的同时大大减小了干扰气体（一氧化碳、二氧化氮、硫化氢）的响应；展示了器件稳定性的显著改善，连续10小时工作稳定性与长达一个月的空气环境久置稳定性大大提升。实现了碳基浮栅型氢气传感器在室温下90ppb的探测下限，在加温（~100℃）条件下5ppb的探测下限，这是碳基氢气传感器首次达到核安全领域的早期泄露检测应用要求，也是目前已报道的最低氢气探测浓度。此外，研究者还根据浮栅传感机制建立了吸附模型，与实验数据有良好拟合，进一步验证了本工作所提出的浮栅传感机制。
研究者相信浮栅结构在碳基传感领域的应用将切实拓展此类传感器的应用领域，其带来的稳定性与选择性提升对碳基气体传感的实用化发展有较大现实意义。相关论文在线发表在Carbon(DOI:10.1016/j.carbon.2021.04.076)上。
原文刊载于【InfoMat】公众号
原文作者：InfoMat团队
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