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随着社会的飞速发展,环境污染问题日益严重,其中空气质量问题尤为突出,并对人们的健康生活构成了威胁。金属氧化物半导体气体传感器具有制作简单、成本低廉、使用方便、灵敏度高、可集成至电子产品中等优点,使其在环境监测、公共安全和航空航天等领域得到了广泛应用。然而,目前的金属氧化物半导体气体传感器仍存在响应/恢复时间较长、选择性、稳定性较差以及工作温度较高等问题,此外,目前主要使用“试错法”来筛选特定的气体敏感材料和传感器,这一过程不仅增加了实验成本而且延长了设计周期,以上问题严重阻碍了气体传感器的工业化应用。因此,通过揭示金属氧化物半导体气敏材料的传感机制,理解出现这些问题的原因并提出对应的解决方法,达到精准设计气体传感器的目的,这是未来的发展趋势。密度泛函理论（DFT）计算可以从理论上描述气体分子在金属氧化物半导体气敏材料表面的吸附-脱附过程、电子转移现象以及氧化还原过程中可能存在的中间体,这些都对传感机理的深入理解至关重要。因此,通过引入DFT计算,结合具体实验,有望揭示传感机理,为未来气体传感器的设计奠定了基础。然而,目前在气体传感器研究领域,DFT计算与实验相结合的气敏机理研究方法还较少。本文以NO2、H2S和氯苯为典型目标气体,构建了多种金属氧化物半导体气敏材料,发展了系列DFT计算与实验相结合的研究方法,研究了气敏材料的形貌结构、异质结构、贵金属修饰以及空位缺陷等对气敏性能的影响规律及内在机理,主要研究内容如下:（1）针对p-n结型ZnO/Co3O4复合材料对三甲胺（TMA）的气敏增强效应,我们通过DFT计算发现了 ZnO和Co3O4在形成异质结过程中,ZnO中的电子将从导带位置转移至Co3O4导带上,使得在复合材料表面形成耗尽层和累积层,并且与Co3O4相比,ZnO对TMA具有更强的吸附能（△Eads=-3.31 eV）,在吸附过程中可得到0.26e;进而,结合准原位XPS分析技术揭示了该体系气敏增强源于p-n结的形成促进ZnO对TMA气体分子的吸附与TMA诱导的ZnO表面金属化效应。另外;针对AuPd双贵金属合金修饰的SnO2复合材料对二甲基二硫醚（DMDS）的气敏增强效应,我们通过DFT计算发现了 AuPd合金与SnO2复合过程中,AuPd合金将向SnO2导带位置转移电子,促进SnO2表面吸附氧的形成,并且,由于AuPd合金优异的催化活性,使得DMDS分子在AuPd/SnO2复合材料表面较易解离成CH3S,其过渡态能垒为0.15 eV,同时CH3S也较易在其表面解离生成S,其过渡态能垒为0.24 eV,而DMDS分子在SnO2表面则具有较大的过渡态能垒,不易发生上述解离过程。此外,结合准原位XPS分析技术揭示了该体系的气敏增强效应是源于AuPd合金促进SnO2表面吸附氧的形成与AuPd合金优异的催化活性降低了 DMDS在AuPd/SnO2复合材料表面的过渡态能垒。（2）利用一步水热法和高温退火方式合成出超细ZnFe2O4纳米颗粒,发现超细ZnFe2O4纳米颗粒在125℃的工作温度下,对10ppm浓度的NO2具有超高的响应（Rgas/Rair=247.7）和快速的响应时间（Tres=6.5s）和恢复时间（Trec=11 s）,且具有优异的选择性,这远优于大多数的NO2半导体气体传感器。我们通过DFT计算发现,ZnFe2O4对NO2具有较强的吸附能（△Eads=-1.32 eV）,在吸附NO2过程中失去0.35 e,并且通过准原位光致发光光谱表征揭示出ZnFe2O4纳米颗粒对NO2的高灵敏响应是基于电荷转移实现的。此外,证实了氧空位的存在可增强ZnFe2O4对NO2分子的吸附并促进之间的电荷转移。（3）采用液相沉积-沉淀法制备了超小Au纳米颗粒并修饰在由超薄纳米薄片和超细纳米颗粒组成的ZnFe2O4卵黄球的表面。发现Au/ZnFe2O4卵黄球在150℃的工作温度下对10 ppm氯苯的气敏响应（Rair/Rgas）为90.9,且最低检测限可达100 ppb,是目前已知金属氧化物半导体气敏材料中表现最好的,且具有优异的选择性。本文还系统的研究了 Au负载量、工作温度和环境湿度等因素与ZnFe2O4和Au/ZnFe2O4卵黄球对氯苯传感性能的影响,并且提出了一种通过矩阵变化来识别气体种类,提高选择性的方法。此外,我们通过DFT计算发现,Au纳米颗粒与ZnFe2O4复合过程中,ZnFe2O4中的部分电子将转移至Au表面,使得在复合材料表面形成耗尽层,并且Au/ZnFe2O4复合材料对氯苯具有更强的吸附能（△Eads=-3.19eV）,在吸附过程中可得到0.164 e。因此,揭示了 Au/ZnFe2O4复合材料体系对氯苯的气敏增强机理是源于Au/ZnFe2O4复合材料形成过程中,促进了 Au纳米颗粒表面吸附氧的增加与Au/ZnFe2O4对氯苯分子的吸附。（4）通过原位生长和不同升温速率的高温退火,制备出含氧空位的多孔NiO纳米网,实现对H2S的气敏响应,并展现出优异的选择性。同时,我们利用DFT计算,研究了氧空位浓度对NiO电子结构的影响,发现随着氧空位浓度的增加,氧空位占据Ni的3d轨道数量越多,带隙减小、导电性增加,以及NiO中各原子的电子相互作用也越明显;进一步发现H2S、HS、S和H在无氧空位的NiO（NiO）表面的最佳吸附位点,除S位于B或H site外,其余均位于T-Ni site,对应的吸附能分别为-0.73 eV、-2.47eV、-2.49eV 和-2.09eV;而 H2S、HS、S 和H在具有氧空位的NiO（Vo-NiO）表面的最佳吸附位点,除H2S位于T-Ni site外,其余均位于T-O（氧空位）,对应的吸附能分别为-0.97 eV、-3.59 eV、-5.43 eV和-2.57eV,均明显高于在NiO表面的吸附能;此外,发现了 H2S分子在NiO和Vo-NiO表面的解离路径和过渡态能垒,H2S分子在NiO表面解离成HS和H所对应的能垒为0.70 eV,HS解离成S和H所对应的能垒为1.53 eV,而上述过程在Vo-NiO表面的能垒分别为0.37 eV和0.17 eV,说明H2S分子在Vo-NiO表面较易解离成S和H。另外,结合准原位XPS分析技术,揭示了 NiO中的氧空位对H2S的气敏增强机理是由于氧空位的存在提高了 NiO表面的电荷密度,促进了 H2S、HS、H和S在其表面的吸附,同时,降低了 H2S分子在NiO表面解离成S和H所需克服的能垒。