4月28日，華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院劉歡教授牽頭的“量子人工嗅覺(jué)”學(xué)術(shù)前沿青年團(tuán)隊(duì)在Nano Letters在線發(fā)表了題為“Specific Odor Coding Using a Single Thin-Film Transistor”（基于單個(gè)薄膜晶體管的特異性氣味編碼）研究論文，學(xué)院2021級(jí)博士生唐艷婷為論文第一作者，劉歡教授為論文通訊作者。

類生機(jī)器嗅覺(jué)是依據(jù)生物嗅覺(jué)神經(jīng)編碼原理，采用氣體傳感器與算法技術(shù)模擬生物嗅覺(jué)系統(tǒng)的智能感知技術(shù)，在公共安全、環(huán)境保護(hù)、流程工業(yè)和醫(yī)療健康等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。半導(dǎo)體氣體傳感器模擬生物嗅覺(jué)感受細(xì)胞，將氣體信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具有靈敏度高、檢測(cè)對(duì)象廣的特點(diǎn)，但其交叉敏感度問(wèn)題影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，導(dǎo)致對(duì)算法和算力的依賴程度較高，制約類生機(jī)器嗅覺(jué)技術(shù)發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述難題，提出一種物理模型驅(qū)動(dòng)的特異性氣味編碼邏輯。該方法利用低維半導(dǎo)體材料構(gòu)筑氣敏薄膜晶體管，通過(guò)定義和解析氣-固作用的分子識(shí)別與電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換因子，構(gòu)建二維矩陣氣味編碼模型，從而賦予單個(gè)晶體管類似生物嗅覺(jué)感受細(xì)胞的特異性識(shí)別能力。

基于該模型采用單個(gè)薄膜晶體管成功實(shí)現(xiàn)了NO2、NO、O3及HNO3揮發(fā)物等氧化性氣體的特異性區(qū)分，室溫檢測(cè)極限達(dá)到ppb（十億分之一）量級(jí)。所提出的氣味編碼方法兼具物理可解釋性和硅基工藝兼容性，能夠擴(kuò)展到量子點(diǎn)等各類低維氣敏材料，為半導(dǎo)體嗅覺(jué)傳感器芯片設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了量化依據(jù)。

該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、湖北省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體以及華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目的支持。

圖1：基于單個(gè)薄膜晶體管的類生機(jī)器嗅覺(jué)特異性氣味編碼原理

圖2：基于二維矩陣編碼模型的特異性氣體識(shí)別