随着信息时代的快速发展,人们对多功能、低成本、高性能电子产品的需求越来越迫切,与之对应,对材料性能参数的要求也变得越来越苛刻。传统材料领域正发生着巨大的变革,单一材料很难满足我们对器件功能多元化的要求,复合材料以其综合的性能优势变得日趋火热。复合材料是将两种或者两种以上的材料复合在一起,将各个材料的优势结合起来,以达到整体性能最优,是将来材料应用行业最主要的研究方向。对于复合材料来说,一般由基体和功能体两部分组成。基体主要提供承载作用,要求材料化学性质稳定,形貌可控,易合成等,当然基体材料除作为支架载体之外也具备其特殊的功能,比如充当受主或施主来改变材料的电子能带结构,起到协调作用。而功能体是指起主要作用的材料,其性能决定了复合材料的应用范围。金属氧化物结构稳定且易合成,在光电测量、气体探测等方面都具有很好的应用前景,是一类性价比很高的材料。在金属氧化物半导体中,二氧化钛(TiO2)和氧化锌(ZnO)是应用最为广泛的两种宽禁带氧化物半导体,其物理化学性能优异而且价格低廉,已经被广泛的应用于实际生活之中。在涂料、防晒霜、食品添加剂等方方面面都有它们的身影。自从上世纪70年代Fujisima和Honda发表了关于TiO2在紫外光照射下催化分解水的工作以来,TiO2的应用就迅速推广到光电、光催化、光/电致变色和气体探测等领域。ZnO从上世纪30年代被研究以来,因其优异的光电性能,被广泛应用于发光材料,激光材料,光催化材料和光探测材料等领域。这两种氧化物都具有很好的化学稳定性且形貌可控,是一种很好的基体材料,其本身又具有很好的光电性能,所以我们试图以Ti02和ZnO为切入点,利用其电子能带结构,设计异质结结构,研究其复合材料制备过程,以及基于这两种氧化物的复合材料在气敏或光探测等方面的应用。众所周知,汽车的应用方便了我们的出行,却也排放着有害的气体;新型的装修材料的出现丰富了我们的家庭环境,但残留的部分有机物却在危害着人类的健康。有效的监测这些有害气体,进而进行相应处理显得尤为重要。但传统的气敏材料在相对较高的温度下,才具有较好的探测效果,而且响应时间较长,难以实现快速检测。基于肖特基结的气敏探测器可以解决这一问题,其响应时间短,而且可以工作在室温条件下,为室温下快速的气敏探测提供了条件。但大多数高灵敏的肖特基接触气敏探测需要使用到光刻等高成本技术,给大规模生产和实际应用造成了很大的成本和技术壁垒,难以走进千家万户。而基于纳米结构的纳米粉末涂层虽然可以像单个纳米结构一样实现快速的气体探测也可以降低成本,但响应度却不是很高。基于此,我们希望找到一种复合材料,利用其异质结结构在实现快速响应的同时来提高其响应度,实现室温下对靶向气体的快速检测。而TiO2正是这种复合异质结构的理想基体材料。自石墨烯发现以来,二维层状材料以其独特的物理性质引起了广泛的关注。鉴于二维层状材料新颖的物理化学性质,我们希望将层状材料与TiO2相结合,制备合成常规环境下稳定的纳米异质结,进而探寻这种TiO2基纳米复合材料的新奇物理性质及其在气敏探测中的应用。我们首先选取了 SnS2这种层状材料与TiO2进行复合。有研究表明SnS2对湿度有很好的检测作用,且可以稳定的工作在日常工作环境中。因此有望利用SnS2本身的湿度探测性能和其形成的异质结特性来提高对湿度的探测性能。首先制备出了表面粗糙的TiO2纳米带,然后利用水热法,在TiO2纳米带上沉积SnS2纳米结构,形成TiO2-SnS2纳米异质结构。经过清洗烘干之后,取一定量的纳米结构分散在水中,滴加在氧化铝陶瓷基片上,形成一层涂层膜。在涂层薄膜上蒸镀一层Au,做成了金属-半导体-金属结构的湿敏探测器。利用饱和盐溶液湿度发生器提供稳定的相对湿度环境,对Ti02和SnS2以及TiO2-SnS2复合材料的湿敏探测器的湿敏特性进行了测量。结果表明TiO2-SnS2在湿度探测上有更高的灵敏度,随着湿度的变化呈现线性变化,且在湿度较低的环境下其电阻远小于单纯TiO2和SnS2,只有千欧量级。这就使得其响应信号可以被普通万用表测量,无需借助复杂仪器,因此是一种理想的湿度探测材料。文献报道Sn3O4这种新颖的层状材料相比于SnO和SnO2来说对NO2有更好的探测性能,同时TiO2对NO2气体也有很好的探测性能,但它们的最佳工作温度都较高,不利于日常生活应用。所以我们将Sn3O4与TiO2相结合,制备出TiO2-Sn3O4纳米异质结构,实现了在室温下对NO2进行高灵敏,高响应度的探测。首先利用水热法制备合成了均匀地TiO2纳米片,并利用水热共沉淀的方法,复合生长出鱼鳞状TiO2-Sn3O4材料,提高其形成的异质结的数量,期望利用其异质结特性来实现室温NO2气体的高灵敏度探测。鉴于金属半导体接触的肖特基结气敏探测器的优势以及弊端,我们引入了异质结的雪崩效应,希望在保持其快速响应的同时,实现响应度的大幅提高,来解决纳米涂层结构在气敏探测过程中响应度低的问题,为复合材料气敏探测器提出新的工作模式。具体的设计方案如下:以金属半导体接触产生的肖特基结效应来探测NO2气体,产生的电流变化作为触发信号,以异质结的雪崩效应为放大器,迅速实现电流信号的大幅变化,实现了在室温下对NO2气体的高灵敏度高响应度的探测。基于TiO2-Sn3O4复合材料的NO2气体探测器最低可以探测到浓度为5ppm的NO2气体,且在50ppm的NO2下,响应度达900%,为室温下气敏探测器的研制提供了新思路。紫外光和红外光因其处于非可见波段而具有重要的军用和民用价值,紫外和红外光的发射和检测一直都备受重视。基于金属-半导体-金属的光探测器很早就被报道和应用了,但其利用的都是半导体外延薄膜,对薄膜制备技术有很高的要求,且需要外加工作电压,无疑增加了很多技术和成本的壁垒,不便于大规模低成本的生产。基于光化学电池的自供能光电探测器为解决这些问题提供了有效的手段。单一纳米材料和复合纳米材料作为光阳极被广泛的运用在自供能光探测器上,都有着不错的响应度和灵敏度。但大部分性质优异的光电探测器中使用的液体电解液都含有部分有害物质,对人体和环境有一定的伤害,而基于水或者一些固态、准固态电解质的自供能紫外光探测器的响应度则普遍较低。鉴于此,我们试图利用复合材料的异质结结构来实现对紫外光的高效探测,且实现对环境友好、对人类无害。鉴于TiO2对于紫外光具有优异的光电响应性能,我们以TiO2为功能体,SnO2为基体,设计了 SnO2-TiO2纳米阵列结构,利用TiO2-SnO2异质结加速TiO2中光生载流子的分离,并利用SnO2高电子迁移率的特性对光生电子进行有效的收集和传输,以提高光电探测器的响应度。设计了一种准固态的自供能紫外光探测器,该光探测器以TiO2颗粒包裹的SnO2纳米管阵列为光阳极,聚合有机物为电解质,Pt为对电极,形成类光化学电池结构,在无外加偏压下实现对紫外光的高灵敏度探测。这种阵列结构可以大幅增强紫外光在光电极中的散射,提高光利用率,实现光响应度的大幅提高。而且准固态电解液不存在泄露问题,可以稳定封存,保证了器件的长期稳定性。这种准固态探测器在340nm处的光响应度达到0.153A/W,光电转换率(IPCE)为55.8%,响应时间为0.14s,恢复时间为0.06s。该光电响应度是报道的固态自供能紫外光探测器中响应度最高的。为了进一步提高比表面积,提高光利用率,并实现光生载流子的高效传输,我们以TiO2单晶纳米棒为功能体,SnO2纳米管阵列为基体,设计了 TiO2-SnO2纳米狼牙棒阵列,在SnO2纳米管阵列的外层利用化学浴沉积的方法生长出金红石相的TiO2单晶纳米树枝。以环境友好的水为电解液,制作了固液相自供能紫外光探测器,并探究了 TiO2纳米树枝的长度对紫外光探测器的影响,发现生长18h的TiO2纳米树枝具有最高的光电响应性能,可以对紫外光进行高效探测,在365nm处其光电响应度达到0.145A/W,响应时间为0.037s,恢复时间为0.015s,其响应度是已报道的以水为电解液的紫外光探测器中最高的,甚至超过了部分以I-/I3-为电解液的自供能紫外光探测器。为了拓宽探测器的光谱探测范围,我们以ZnO纳米阵列为基体,Ag2S纳米颗粒为功能体,合成制备了 ZnO-Ag2S纳米异质结构阵列,并以P型有机半导体Spiro-MeOTAD为空穴传导层,制作了一种全固态自供能的宽光谱光探测器。该探测器在一个较宽的光谱探测范围(从紫外光区390nm 一直到近红外光区1100nm)内都有很好的探测性能。在440nm处的单色光电转化效率达到最大值约为36.7%,而且在800nm至1050nm的近红外区域也具有明显的光电响应。ZnO-Ag2S基全固态光探测器不仅将探测范围拓展到近红外波段,且探测时间缩短到了毫秒量级,有望在宽光谱光电测量领域得到应用。