摘要
在当代生活和生产活动中，气体传感器正在发挥着越来越重要的作用。作为最受关注的一类气体敏感材料，氧化物半导体气敏材料一直是气体传感领域的研究焦点。氧化物半导体材料的气敏反应是一种典型的表界面反应，主要涉及气体在敏感材料中的扩散、吸附、反应和解吸等过程。因此，气体敏感材料的组成、微观结构和表面性质是决定其气敏性能最重要的影响因素，而这些因素之间的内在联系也成为气体敏感材料研究中最关键和最需要解决的科学问题。基于此，本论文以ZnO为研究对象，从微观结构和表面性质两方面出发，探索了系列ZnO基一维异质结构纳米线的构建方法，并详细研究了不同异质结构的构建对ZnO纳米线气敏性能的影响规律和机制。 首先探索与优化了一维单晶ZnO纳米线的合成策略，并批量制备出具有高长径比、良好均一性和分散性的一维单晶ZnO纳米线。在此基础上，通过二次水热法在ZnO纳米线表面生长SnO2和In2O3纳米颗粒，制备出SnO2-ZnO和In2O3-ZnOn-n异质结构纳米线;通过化学沉淀法在ZnO纳米线表面构筑NiO和CuO纳米颗粒，制备出NiO-ZnO和CuO-ZnOp-n异质结构纳米线;通过原位掺杂手段制备出不同稀土元素（Ce、Eu、Er）和贵金属元素（Au、Pt）掺杂的ZnO异质结构纳米线。 利用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等材料表征手段，对所制备材料的晶体结构、微观形貌、表面化学组成等相关性质进行了表征分析。一维单晶ZnO纳米线为六方纤锌矿结构，直径为30～50nm,长度为500nm至数微米。对于ZnO基n-n和p-n异质结构纳米线，由于采用了两步法构来建异质结构，因此ZnO纳米线的晶体结构、尺寸和微观结构在异质结构的构建过程中均得到了较好的保持。对于稀土元素和贵金属元素掺杂的ZnO纳米线，稀土元素掺杂使得ZnO纳米线的直径有增加的趋势，而贵金属元素掺杂则能够在一定程度上抑制ZnO纳米线沿c轴方向的生长，从而使得ZnO纳米线长度有减小的趋势。同时，由于贵金属元素较易掺杂至ZnO纳米线的晶格中，因此贵金属元素掺杂ZnO纳米线的晶格常数有增加的趋势。 将合成出的异质结构材料涂覆到电极上制备成气敏元件，利用气敏特性测试平台研究了不同异质结构材料的气敏特性。基于ZnO纳米线的气敏元件在工作温度150和300℃时分别对氧化性气体NO2和还原性气体乙醇表现出较好的气敏特性。通过构建n-n异质结构，不仅能够显著提升ZnO纳米线对NO2的敏感性能，同时还能在一定程度上提升ZnO纳米线对乙醇的灵敏度。而p-n异质结构的构建和稀土元素掺杂不但能够有效改善ZnO纳米线对乙醇的气敏特性，同时在一定程度上也会抑制ZnO纳米线对NO2的敏感性能。对于贵金属元素掺杂，一方面能够显著增强ZnO纳米线对乙醇的敏感能力，另一方面也能在有效降低ZnO纳米线对NO2最佳工作温度的同时来显著提升灵敏度。此外，贵金属元素在提高ZnO纳米线对乙醇和NO2灵敏度的同时，也会大幅提升ZnO纳米线对其它干扰气体的灵敏度，尤其是丙酮气体。 基于试验结果和相关理论知识，考察了溶剂乙醇、碱源NaOH、表面活性剂SDS和PEG-400对ZnO各向异性生长过程的调控作用机制，阐明了ZnO纳米线的生长过程，并探讨了ZnO纳米线的气敏反应机理及异质结构的构建对其气敏性能调控和增强的机理。 研究结果为高精度、小型化、低功耗、低成本矿业安全用气敏元件的设计与开发提供了新的思路与理念，对于矿业生产过程中有毒有害气体的实时高效检测，保障矿山及矿井安全生产，实现我国矿山安全智慧化发展具有重要意义。
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