甲醛能够破坏生物细胞蛋白质,使细胞核内产生基因突变,造成DNA单链内交连和DNA与蛋白质交连,抑制DNA损伤修复等。长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病、鼻咽癌、脑瘤等疾病,甲醛也是诱发病态建筑物综合征的主要原因。2004年,国际癌症机构将甲醛确定为第一类致癌物质。对甲醛浓度的检测不仅关乎当代人的身体健康,更关系到下一代,甚至几代人的健康。目前,对甲醛的传统检测方法是分光亮度法、色谱法、极谱法、荧光法等,而这些方法需要在现场长时间采样,分析周期较长,操作复杂,测定结果是一段时间内的均值,不能实时反映室内空气中甲醛浓度。声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)传感器质量灵敏度可达到ng级,通过在其表面沉积可吸附甲醛的金属氧化物敏感膜能够实现甲醛的实时高灵敏度检测。本文制备了三种溅射功率下的ZnO-SAW传感器,通过自行搭建的甲醛气体检测平台对甲醛干气和甲醛湿气进行了检测,并用密度泛函理论方法系统地探索了甲醛分子在ZnO表面的吸附机制。主要研究内容和成果如下:1)用Materials Studio软件中的DMol3模块对ZnO、掺杂模型、缺陷模型进行了物理性质分析以及对甲醛吸附性质分析,ZnO能隙为1.095eV,对甲醛结合距离为2.081?,结合能为0.496eV,电荷转移量为0.089e,甲醛分子的吸附将有利于电子从下价带经杂质能级激发到上价带和导带,从而改变ZnO电导性质,产生甲醛敏感信号。Cr元素的替代掺杂使得ZnO结构更紧凑、更稳定,能隙变小为0.962eV;Cu元素替代掺杂并没有导致ZnO结构产生太大的变化;本征O空位缺失导致ZnO能隙增大为1.451eV,在禁带中产生了施主能级。甲醛分子与ZnO间的吸附为物理吸附,当空间中的甲醛分子较多时,甲醛分子优先吸附在ZnO表面,每个Zn原子可吸附一个甲醛分子,甲醛分子铺满ZnO表面后,其余的甲醛分子可与吸附在ZnO表面的甲醛分子以微弱的作用连接。2)通过光刻技术制作了SAW芯片,通过射频磁控溅射法在SAW芯片表面沉积了ZnO敏感膜,对敏感膜进行了XRD、SEM、AFM表征,50W、100W和150W溅射功率制备下的ZnO敏感膜表面整体比较平整,成膜致密度较好,粗糙度分别为0.64nm、1.35nm和2.26nm,100W溅射功率制备下的ZnO薄膜c轴择优取向最好,晶粒尺寸最适中,分布最均匀。与通过化学溶液法制备的薄膜相比,具有可重复、可大规模批量生产、可精准控制膜厚等优点。制备的SAW芯片质量灵敏度是石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)的1705倍,制备的ZnO-SAW传感器具有较好的温度稳定性。3)设计并搭建了甲醛干气检测平台,可精准配置不同浓度甲醛,该平台可实现在密闭环境中动态检测甲醛气体。在流速为0.3L/min,响应时间为1min条件下,100W溅射功率制备下的ZnO-SAW传感器对不同浓度甲醛具有较高灵敏度和较好线性度,经过拟合得到其对1-50ppm甲醛的灵敏度为114.99Hz/ppm,是目前报道的同类型传感器的75倍,该传感器在本检测平台下的甲醛最低检测限为0.1ppm。传感器对甲醛干气的吸附完全可逆。结合理论分析,根据ZnO-SAW传感器对甲醛干气的检测结果,构建了甲醛分子在ZnO-SAW表面的吸附和脱附模型。4)在甲醛干气检测平台基础上增加了湿度发生仪,搭建了甲醛湿气检测平台。在流速0.3L/min,响应时间为3min条件下,100W溅射功率制备下的ZnO-SAW传感器对20%RH、40%RH、60%RH湿度下的甲醛响应灵敏度分别为136.34Hz/ppm、141.01Hz/ppm、152.51Hz/ppm,湿度越大,ZnO-SAW传感器对甲醛的灵敏度越高。传感器对甲醛湿气的吸附部分可逆。5)用Materials Studio软件中的DMol3模块计算了水-甲醛分子共存情况下的吸附性能。水分子在ZnO表面的吸附能力与甲醛分子相当,均属于物理吸附,水分子不仅可以吸附在ZnO表面,相互之间也可以形成氢键,当水分子较多时,其在ZnO表面的吸附量逐层增加。在水分子已经吸附在ZnO表面的情况下加入甲醛分子,甲醛分子破坏了原水分子间的氢键作用,与水分子形成氢键,1个甲醛分子可以连接2个水分子,甲醛分子的加入缩短了水分子与ZnO表面的结合距离,增加了整个体系的平均结合能。结合理论分析,根据甲醛湿气检测结果,构建了水分子在ZnO表面的吸附、脱附模型以及水分子和甲醛分子共存情况下在ZnO表面的吸附、脱附模型。