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21世纪以来随着互联网技术的高速发展,人类的生产、生活逐渐步入新时代,信息化、智能化社会对各种传感器件有极大的需求。气体传感器在工业生产、医疗卫生、农业检测、大气监测等领域占据重要地位,高性能气体传感器的研究具有重要的应用价值。论文以n型金属氧化物半导体纳米Zn O为基础,研究过渡金属元素对Zn O基气体传感器气敏特性的影响,分析了该系列气体传感器性能改善的物理机理,主要研究内容有:（1）采用水热法制备了Pure-Zn O多孔纳米片和Co-Zn O复合多孔纳米片状结构。多孔片状结构有利于气体扩散和吸附。过渡金属元素Co引入大大提高了气敏性能。对100 ppm乙醇（CH3CH2OH）气体,1%Co-Zn O基器件灵敏度（S）高达279.8,是Pure-Zn O基器件的2.7倍。1%Co元素引入后,恢复时间(Trec)从Pure-Zn O基器件的40 s减少到18 s;此外,传感器的选择性也有所提高。分析表明过渡金属元素Co的引入可大大增加材料的比表面积,改善孔径分布,对提高传感器的性能起到了关键作用。不仅如此,研究发现在复合材料中过渡金属元素Co起到施主杂质作用,增加了Zn O纳米结构中的电子浓度和氧空位浓度,促进氧分子的吸附和电离,从而增强传感性能。这为过渡金属元素Co调控Zn O基体的性质从而改善气体传感器特性提供了有价值的参考。（2）为了全面研究Co元素引入对Zn O基气体传感器的性能影响,分别通过溶胶-凝胶法和水热法制备了Co-Zn O复合纳米材料。溶胶-凝胶法合成的复合材料传感器测试结果显示Co元素引入降低了Pure-Zn O基器件的工作温度,其中1%Co-Zn O基传感器的工作温度为327℃,比Pure-Zn O器件降低了11.4%。对100 ppm CH3CH2OH气体,Pure-Zn O基传感器的灵敏度为26.38,1%Co-Zn O基传感器的灵敏度最高,为69.47是Pure-Zn O基器件的2.63倍。Co-Zn O基传感器的响应/恢复时间(Tres/Trec)更短,Zn O基传感器的Tres/Trec为9 s/58 s,1%Co-Zn O和3%Co-Zn O基传感器的Tres/Trec同为6 s/41 s,相比之下分别降低了33.3%和29.3%。此外Co-Zn O基器件的灵敏度-浓度线性度和选择特性得到改善。水热法制备的Pure-Zn O和Co-Zn O基器件测试结果表明Co元素引入降低了传感器的最佳工作温度。三组Co-Zn O基传感器的灵敏度都较Pure-Zn O基传感器有较大提升,其中1%Co-Zn O基传感器提升幅度最大,在100 ppm CH3CH2OH浓度下灵敏度是Pure-Zn O基器件的3.6倍,在800 ppm CH3CH2OH浓度下是Zn O基传感器的5.04倍。三组Co-Zn O基传感器的选择性相比Pure-Zn O基器件也有所提高。两组实验结果表明Co元素引入Pure-Zn O纳米材料以后对器件的最佳工作温度、灵敏度、响应/恢复特性和选择性都有影响,总体上提高了传感器的各项指标,其中1%Co-Zn O基传感器性能最突出,其最佳工作温度降低、灵敏度增大、响应/恢复特性优化以及选择性明显提高。（3）考虑到Ⅷ族同族元素Fe和Ni与Co具有相似的原子半径和壳层结构,论文研究了Fe和Ni元素对Zn O基气体传感器的性能影响。对研制的气体传感器性能测试后发现Fe元素的引入对Zn O基传感器的最佳工作温度无明显影响。0.5%Fe-Zn O基器件对CH3CH2OH气体响应灵敏度最高,随着Fe-Zn O复合材料中Fe元素比例的升高,灵敏度的提升降低。Fe元素比例为3%时,器件的灵敏度低于Pure-Zn O基器件;另外Fe元素引入还有效降低了Zn O基传感器的Tres/Trec。选择性测试结果表明Fe引入后传感器对丙酮（CH3COCH3）比CH3CH2OH有更加优异的气敏特性。水热法制备的Ni-Zn O复合纳米材料传感器测试结果表明适当比例Ni引入Zn O可以降低传感器的工作温度。在100 ppm CH3CH2OH气氛下,3%Ni-Zn O基器件响应最低,1%Ni-Zn O基器件响应最高,在600 ppm CH3CH2OH气氛下Zn O基传感器响应最低,1%Ni-Zn O传感器响应最高。不同比例Ni的引入都使Zn O基传感器的Tres降低了,但0.5%和1%比例的Ni元素增加了器件的Trec。四组器件对CH3CH2OH和CH3COCH3的灵敏度相近,1%Ni-Zn O传感器对CH3CH2OH的灵敏度最高。两组实验结果表明尽管Fe和Ni的影响不尽相同,但适当比例的Fe和Ni元素引入后对Zn O传感器的性能有益。其中以0.5%Fe-Zn O和1%Ni-Zn O基传感器的总体性能最为突出。（4）为了研究金属氧化物半导体的气敏机理,本文采用第一性原理建模,研究了Zn O表面的气体吸附过程,并验证了氧空位对气体吸附的促进过程,对指导工艺实践具有参考价值。