摘要
随着人们生活质量的不断提高，环境保护、大气质量等问题受到了越来越多的重视。气体传感器作为一种监测各类环境中气氛的有效方式也受到了广泛的研究。然而，目前所有的商用金属氧化物半导体型气体传感器和绝大多数的实验室研究均是采用热激发方式，高工作温度不可避免地带来高温安全隐患、加热器加工精度要求高、器件难以实现可穿戴化等问题。另外，持续的加热需求也导致气体传感器整体能耗较高，无法满足目前对便携设备集成的低能耗需求。考虑到气敏反应必须依靠能量激发这一原理，当热激发存在一定限制的时候，光激发就成为了一个可选的方案。由于不需要使用贵金属作为气体传感器的加热器，生产成本大幅降低，热源的移除也能直接减小整体器件的能耗。更重要的是，光激发气体传感器具有优秀的安全性和室温工作性能，能有效地避免高温带来的安全隐患。然而，目前的光激发气体传感器研究仍处于探索阶段，光激发气体传感器的相关研究数量还较少。由于缺乏一种标准化的光激发气敏性能评估方式，目前很多相关研究结果并不能直接进行对比，导致人们对光激发气体传感器的了解十分有限。特别是目前对于光激发气敏反应机理的理解，局限于简单地将光源作为热源的替代能量源，并未考虑光激发与热激发过程之间的区别，也未对光激发与热激发气体传感器的差异性进行系统的研究。业内对于热激发气体传感器的气敏响应机理已经有了一定的了解，但由于技术原因，还无法对光激发气敏响应过程进行直接的探索，光激发气体传感器的气敏响应机理问题研究还是一片空白。此外，没有对光激发气体传感器进行针对性的器件结构设计，直接限制了光激发气体传感器的应用与发展。 本论文以简单金属氧化物半导体作为研究对象，研究对比气体传感器敏感层为不同材料体系时的光激发气敏性能，以针对不同的应用场景进行敏感层材料筛选；通过研究气体传感器在光激发和热激发状态下气敏性能的差异性，分析不同激发方式对器件性能的影响；利用原位红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）等研究手段，着重研究气敏材料在光激发状态下敏感层表面的气体反应过程，并以此为基础，分析光激发气体传感器与传统热激发气体传感器反应机理的差异；根据不同金属氧化物半导体的光激发气敏响应特性，开发更适合光激发气体传感器的器件结构；通过对敏感层材料的调控和光源激发方向的调整，进一步提升光激发气体传感器的性能，推动光激发气体传感器的实用性发展。 本文主要研究结论如下： （1）通过选择ZnO、WO3和In2O3三种金属氧化物半导体作为敏感层材料，测试三种传感器对不同气体、不同湿度、不同光照度情况下的光激发气敏响应性能，得出不同金属氧化物具有不同的适用场景的结论：ZnO厚膜器件更适用于强光强的激发环境；In2O3厚膜器件在较弱的激发光强环境下比其他材料表现出更好的气敏性能；WO3在不同湿度中特殊的响应特性，需要进一步地研究光激发状态下的气敏响应机理； （2）选择WO3厚膜器件研究光激发与热激发两种不同的激发方式气敏响应性能的影响，并利用原位DRIFTS分析技术研究和对比光激发与热激发气敏响应中的具体反应过程，分析湿度在光激发与热激发状态下不同的吸附。研究发现，湿度在WO3表面的H2O分子吸附状态和WO-H的生成情况是影响光激发和热激发器件电阻变化趋势不同的主要因素； （3）利用定向静电纺丝技术制备了柔性透明的In2O3定向纳米线阵列传感器，该器件在全光谱单色或者连续光激发下均可工作，对不同波长光、不同光强、不同湿度和不同弯曲角度下均对NO2表现出出色的气敏性能； （4）通过将LED光源与气体传感器的制备工艺相结合，制备出具有发光和气敏双重功能的集成微芯片，实现光激发气体传感器的批量化制造；研究不同光照方向对光激发气敏性能的影响，发现底照式比顶照式具有更好的光激发气敏响应性能。
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