用于多种痕量气体并行检测的碳纳米管场效应晶体管传感器阵列研究
批准号:
62071410
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
张勇
依托单位:
学科分类:
敏感电子学与传感器
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张勇
中文摘要
气体传感器在空气污染治理方面占有重要的战略地位。在复杂气体环境中,电阻型气体传感器对多种气体的交叉敏感性是气体检测领域亟待解决的瓶颈问题,其主要障碍在于器件仅依托单一参数评价选择特性、灵敏特性等多种气敏性能。针对如何利用具有丰富器件参数的场效应晶体管(FET)阵列实现“痕量气体浓度检测、混合气体种类识别”两个关键科学问题,本项目选择以半导体碳纳米管薄膜为沟道的高跨导FET为研究对象,设计栅极敏感型碳基FET气体传感器,揭示碳基FET器件对痕量气体微弱信号的增益机理,拓展气体传感器的检测下限。在此基础上,进一步开展器件阵列结构设计,发展特征信号提取与并行检测模式,从材料特性、器件结构、阵列形式等方面,重点研究FET阵列对气敏性能的多参数分类关联,明晰阵列结构在混合气体种类识别中的工作机理,实现混合气体中各痕量气体的精准识别,为更有针对性地发展多种痕量气体并行检测技术提供有效的思想方法与手段。
英文摘要
Gas sensors play an important strategic role in the field of air pollution control. In the complex gas environment, the crossing sensitivity of resistive gas sensors to various gases is a bottleneck problem to be solved in the field of gas detection, and the main obstacle is that there just only single parameter of sensor is used to evaluate the selectivity, sensitivity and other gas sensing properties. The project aims at addressing some most critical issues in multiple trace-gases detection, that is, how to realize the two key scientific problems of "trace-gas concentration detection and gas species identification in gas mixture" by means of the field effect transistor (FET) array with abundant device parameters. In this project, the high transconductance FET using semiconducting carbon nanotube thin film as channel is selected as the object to fabricate the gate-sensing type carbon-based FET gas sensor. The gain mechanism of carbon based FET device for the weak response to trace-gas is revealed to expand the detection limit of gas sensor. On this basis, we will further design the array device structure and develop the corresponding feature signal extraction and parallel detection mode. A multi-parameter classification correlation mechanism between FET array devices and gas sensing properties is developed from the aspects of material characteristics, device structure and array form. At last, the working principle of array structure in species identification of the gas mixture is clarified to realize the accurate recognition of various trace-gas in gas mixture, which provides effective thoughtway and method for developing simultaneous detection technology of multiple trace gases.
气体传感器芯片的研制对我国电子信息产业的发展具有重要战略意义。针对电阻型气体传感器检测限较高及对多种气体交叉敏感的共性问题,项目选择具有丰富器件参数的场效应晶体管(FET)为研究对象,利用半导体碳纳米管为沟道材料,通过栅介质层、敏感栅极的设计,构建各类具有浮栅结构的栅极敏感型碳基FET气体传感器及其阵列,重点对“痕量气体浓度检测”、“混合气体种类识别”两个关键科学问题开展系统、深入的研究。项目首先研究沟道材料、器件结构对碳基FET电学性能的影响机制,选择与碳纳米管具有良好浸润性的氧化钇为栅介质材料,通过对沟道材料、栅介质层厚度、沟道尺寸等因素的研究,制作出高性能碳基FET,其开关比超过四个数量级,漏电流低于10纳安。基于碳基FET优异的放大效果,揭示碳基FET传感器检测痕量气体的工作机理,拓展对目标气体的检测下限。所制备的浮栅型碳基FET气体传感器对甲醛、氨气、甲苯等有害气体的检测下限均可达ppb级(各气体检测下限:甲醛10ppb;氨气100ppb;甲苯80ppb;二氧化氮20ppb、硫化氢20ppb),且在无需加热条件下,实现了对气体的室温检测。在此基础上,构建碳基FET传感器阵列,通过对器件参数与气体检测信息的关联,明晰了阵列结构在混合气体种类识别中的工作原理,实现了对甲醛、氨气及甲苯三种气体的同时检测。此外,通过对单一碳基FET气体传感器的各电学参数与气体检测信息的分类关联,建立了跨导、阈值电压、开关比与气体浓度、种类的对应关系,发展了特征信号提取与并行检测模式,利用单一碳基FET传感器实现了对二氧化氮、氨气、氢气、硫化氢、一氧化碳、二氧化硫六种气体的同时检测,其检测能力处于国际前列。项目中系列成果有望为发展高性能气体传感器芯片技术提供新的思想及手段,为我国气体传感器产业进入国际领先行列提供理论和实验基础。项目已按研究计划实施,执行情况良好,预期研究目标均已顺利完成。
可见光激发下碳基FET型传感器芯片对多气体的识别机理研究
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批准号:62471425
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项目类别:面上项目
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资助金额:49.00万元
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批准年份:2024
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负责人:张勇
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依托单位:
二维TMDs异质结的构筑及光场下气敏性能的研究
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批准号:2018JJ2404
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2018
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负责人:张勇
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依托单位:
半包覆线缆结构YSZ基纳米纤维的界面特性及气敏性能
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批准号:51402250
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2014
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负责人:张勇
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依托单位:
国内基金
海外基金