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气体传感器最核心的部分是气体敏感材料。氧化锌（ZnO）、氧化铁（α-Fe2O3）作为两种典型的金属氧化物半导体材料,也是最常用的气敏材料,具有结构形态丰富、化学稳定性高、检测气体种类多等特点,已引起广泛研究兴趣。但是,基于这种纯相半导体材料的商业化气敏传感器还普遍存在一些问题:第一,材料多数为粉末,通过手工涂覆材料制成的器件通常会破坏材料的本征特性;第二,该类气敏材料灵敏度较低、工作温度较高、响应-恢复时间较长、选择性较差;第三,气敏机理研究不够深入,停留在唯象理论阶段,缺乏直接证据和系统理论支撑。针对上述问题,本论文的基本思路是通过设计并构筑大比表面积的纳米线异质结构,进一步改善纯相氧化物半导体材料的气敏性能;利用半导体能带理论和密度泛函理论（DFT）模拟等理论分析手段,尝试系统解释异质结增强型氧化物半导体气敏机理。论文主要以ZnO、α-Fe2O3纳米棒（包括多孔型）为材料研究模型,通过籽晶层诱导水热法在平板电极上直接生长纯相氧化物半导体气敏材料;通过溅射、旋涂、脉冲激光沉积（PLD）等方法在其表面构筑金属/半导体（M/S）结或半导体N/N同型异质结构;对比研究Schottky接触、贵金属催化、NN异质结耗尽层、表面吸附氧等不同物理化学机制在提高氧化物半导体气敏性能方面的作用机理。论文主要研究结果如下:1.通过引入Au/ZnO（M/S）结,研究揭示了肖特基（Schottky）接触和贵金属催化作用在该类金属修饰氧化物半导体气敏传感器中的重要作用。首先利用ZnO籽晶层诱导水热法在Al2O3平板电极上直接生长ZnO纳米棒阵列,然后利用溅射法将Au纳米颗粒随机负载在ZnO纳米棒表面,构筑Au/ZnO异质结构气敏元件。气敏性能测试结果证明,在近室温（40℃）下,复合结构对三乙胺气体具有较好的选择性,最佳Au/ZnO器件对50 ppm三乙胺气体的灵敏度可达到22,约为ZnO纳米棒器件的89倍。运用半导体能带理论,详细解释Au与ZnO形成Schottky接触后,电子在Au与ZnO界面处的转移过程,加深了对贵金属催化作用和金属“溢流”唯像模型在该类贵金属增强半导体气敏性能机理方面的认识。2.通过引入Au/α-Fe2O3（M/S）结,将M/S结增强气敏性能机理拓展到大比表面积多孔氧化物半导体气敏材料,进一步提升了所制备气敏元件的性能。首先通过α-Fe2O3籽晶层诱导水热法在Al2O3平板电极上制备了多孔α-Fe2O3纳米棒,进而采用旋涂法制备了Au/α-Fe2O3多孔纳米棒异质结构,并证实了Au与α-Fe2O3之间肖特基接触的存在。气敏测试结果再次证明M/S结有助于改善气敏性能,最佳Au/α-Fe2O3器件在40℃时具有较短的恢复时间（8 s）和低的检测极限（1 ppm）,较氧化锌纳米棒性能更优。此外,本章还侧重探讨了湿度对气敏性能的影响和机理。3.对比研究了半导体NN同型异质结耗尽层模型与表面吸附氧模型对半导体气敏传感器性能的影响。运用水热法和PLD法设计了α-Fe2O3/ZnO纳米棒来改善ZnO纳米棒的气敏性能。气敏测试结果发现,α-Fe2O3/ZnO复合异质结构的最佳工作温度为300oC,对50 ppm的三乙胺气体的灵敏度显著高于ZnO材料,最佳α-Fe2O3/ZnO器件的灵敏度可达到63。进一步运用能带理论解释了关于此类NN异质结复杂结构改善气敏性能的机理,并结合XPS实验证据,提出表面吸附氧含量机理对改善气敏性能重要作用的想法,运用密度泛函理论系统解释并验证了该想法的可靠性。