成果推介：基于神经网络算法的高灵敏度石墨烯氢气传感器

• 成果背景

  氢气是一种高能量密度、可再生的、取之不尽、用之不竭的清洁能源，随着氢燃料电池技术的逐渐成熟，氢气成为了新能源技术领域的应用和推广的热点。 特别是，在新能源汽车领域，氢燃料电池汽车在世界范围内已经进入快速商业化推广阶段。氢气泄露从而引发的一系列安全问题是限制氢气进入民用消费市场的瓶颈之一。 因此，利用低浓度氢气的检测技术，尽早发现氢气泄露，及时预警消除安全隐患，防患于未然，对于氢气在民用市场的大规模应用至关重要。开发选择性好、灵敏度高、工作温度低、功耗低、尺寸小、稳定性好、 寿命长、易集成在半导体芯片上的氢气传感器仍然是传感器领域研究的重要方向。 以新材料、新工艺为突破口开发新一代氢气传感器，传感器领域重点发展方向之一。

  石墨烯作为近年来出现的新型二维的代表，其结构中的每个原子都可以认为是表面原子，因而具有所有种类材料中最大的比表面积。与此同时，石墨烯中的载流子迁移率(15000cm2 /(V·s)) 也远远高于传统金属氧化物 (1~100cm2 /(V·s))。此外，在 K 点附近石墨烯的能带结构可以用狄拉克锥描述，载流子的能量和动量是线性色散关系。因此，理论上在狄拉克点附近石墨烯的态密度接近零，也就是说载流子浓度非常低，气体和石墨烯之间很少量的电荷转移就能够引起器件电阻的显著变化。 另一方面， 石墨烯的晶格结构稳定且完美，因此相比传统金属氧化物器件，石墨烯器件具 有很低的热噪声和闪烁噪声。上述特点就决定了将石墨烯器件用于高灵敏度氢气传感具有与生俱来的优势。因此，利用石墨烯器件开发一类具有安全、可靠、选择性好、灵敏度高等优点的新型室温氢气传感器，是传感器领域最有潜力的发展方向之一。

• 成果简介

  （1）提出一种新型的天线耦合结构石墨烯基氢气传感器，将传感器中石墨 烯图形化为导电沟道与天线结构两个相连的部分，并结合适当的疏水性绝缘衬底、合理地覆盖钝化层等技术手段实现上述高灵敏度、高可靠性、低噪声的新型石墨烯基氢气传感器。

  （2）研究环境效应对传感器可靠性及噪声的影响，不仅对石墨烯基氢气传感器的设计具有指导价值，而且对后续石墨烯基氢气传感器的在真实环境中的应用也具有参考意义。

• 成果意义

  通过优化器件结构抑制环境效应对FET式石墨烯基氢气传感器的不利影响，从而最大化利用石墨烯低载流子浓度、高载流子迁移率高、低器件噪声等优点，制备出高灵敏度、高可靠性的石墨烯基氢气传感器。完成具有自主知识产权的FET式石墨烯基氢气传感器开发，包括器件结构设计、制备工艺与数据处理算法，以产业化为目标加强石墨烯基氢气传感器规模化制造工艺研究，提高深圳市在该新型电子元器、半导体制造领域的研发水平，降低对尽快元器件的依存度。

  负责人简介

• 张有为， 研究员，华中科技大学副研究员、博士生导师。主要从事半导体器件工艺、二维材料场效应晶体管、光电探测器、气体传感器 等方面的研究。相关工作已发表SCI期刊论文29余篇，其中包含中科院一区Top期刊论文10篇（ACS Nano，Adv. Funct. Mater，Small，Advanced Optical Materials，Nanophotonics, Nano Research）、物理学科2015年度ESI高被引论文1篇（Scientific Reports，2015,5:7938）。相关器件设计与工艺方面的研究成果已申请并授权国内发明专利13项。主持国家、省、市级科研项目4项。

主要研究方向：半导体器件工艺、二维材料场效应晶体管、光电探测器、气体传感器等