金属氧化物半导体气体传感器是一种全固态电阻式气体传感器,目前在工业生产和日常生活中有着广泛的应用。随着物联网的不断发展,对灵敏度高、响应恢复速度快、稳定性好的气体传感器的需求越来越大。目前,为了提高金属氧化物气体传感器的气体传感性能,开发高性能的气体传感材料成为了研究的重点。本论文以高性能金属氧化物气体传感材料作为研究对象,从理论总结和实验探究两个方面,针对金属氧化物半导体气体传感材料的敏感机理和性能提升策略进行研究。主要工作内容如下:(1)通过查阅大量的文献,针对暴露高能晶面的金属氧化物纳米材料在气体传感方面应用的研究进行系统的分析和总结,针对常用的几种氧化物导体气体传感材料的高能晶面,计算了原子面密度和悬挂键密度,讨论了材料表面晶面种类和气体传感特性的关系。研究发现,在材料表面选择性地暴露高能晶面,可以有效地提高金属氧化物半导体材料的气体传感性能。可以得出以下结论:纤锌矿ZnO中的(0001)晶面、金红石型SnO2中的(332)晶面、锐钛矿型TiO2中的(001)晶面、赤铁矿型Fe2O3中的(113)晶面和立方晶系Cu20中的(110)晶面是金属阳离子截止面且悬挂键密度大;而绿镍矿型NiO中的(110)晶面虽然同时含有金属阳离子和氧负离子,但其表面悬挂键密度较大。在材料表面暴露这些晶面可以为气体传感反应时气体吸附提供充足的活性位点。因此,在材料制备过程中选择性的暴露金属阳离子截止的、悬挂键密度大的晶面将会大大改善材料的气体传感特性,提高材料的响应。(2)采用共轴静电纺丝法制备具有核壳结构的一维金属氧化物纳米纤维,其中核层材料和壳层材料分别选择n型和p型半导体材料。本论文中构筑的材料体系分别是Co304-ZnO核壳纳米纤维和Cr203-SnO2核壳纳米纤维,系统地研究了 p-n异质结对核壳纳米纤维气体传感特性的影响。研究发现:与ZnO-Co3O4核壳纳米纤维、单轴ZnO纳米纤维和Co3O4纳米纤维相比,Co3O4-ZnO核壳纳米纤维具有更优越的气体传感性能,并且显示出典型的p型气体传感材料的特性。分析认为由于核层材料和壳层材料在界面处形成导带不连续跨立型p-n异质结导致的。由于异质结特殊的能带结构,使得材料与气体的反应不单单是由纤维的外壳材料决定的,而是核层、壳层和异质结的协同作用。而对于SnO2和Cr2O3材料体系,SnO2-Cr2O3核壳纳米纤维对目标气体具有更高的响应。此外,Cr2O3-SnO2核壳纳米纤维中的异质结为能带连续跨立型p-n异质结,材料的气体传感特性主要是由粒子的晶界势垒的变化来决定,SnO2-Cr2O3核壳纳米纤维的气体传感特性是由外壳材料Cr2O3所决定的,呈现出了 p型的气体传感特性。此外,由于异质结的形成,使得材料中存在更多的晶格失配,会在核壳界面处形成更多的缺陷和悬挂键,有效地改善了材料的气体传感性能。本论文通过以上两方面的工作,不但为金属氧化物半导体气体传感材料的优化提供了实验基础,也为高性能气敏材料的设计提供了理论依据和参考。