【摘 要】
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在过去的几十年中,基于纳米结构的金属氧化物半导体（MOS）气体传感器因其成本低、易于制造、灵敏度高和响应/恢复时间短等优点而备受关注。传统的基于MOS的气体传感器通常需要在较高的温度下工作,从而增加了气体传感器对易燃、易爆气体检测的风险,因此需要开发能在低温/室温下工作的高效可靠的气体传感器。金属氧化物异质结由于费米能级效应、不同组分之间的协同作用,常用来提高电阻型MOS气体传感器的气敏特性。本文
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在过去的几十年中,基于纳米结构的金属氧化物半导体（MOS）气体传感器因其成本低、易于制造、灵敏度高和响应/恢复时间短等优点而备受关注。传统的基于MOS的气体传感器通常需要在较高的温度下工作,从而增加了气体传感器对易燃、易爆气体检测的风险,因此需要开发能在低温/室温下工作的高效可靠的气体传感器。金属氧化物异质结由于费米能级效应、不同组分之间的协同作用,常用来提高电阻型MOS气体传感器的气敏特性。本文利用了一种新型的具有疏水特性的n型半导体（（Sr0.6Bi0.305）2Bi207,简称SBO）作为基材,通过异质结构筑和光活化调制的方法提升MOS气体传感器的气敏性能。具体的研究内容如下:1.探索能够在较低温度下（且受湿度影响较弱）选择性识别环境中痕量H2S的新型传感材料,对于各种实际应用具有极其重要的意义。为此提出了异质结构ZnO/SBO纳米材料。通过增加氧空位缺陷促进分析物吸附和可逆的硫化-脱硫反应诱导ZnO/SBO/ZnS之间独特的能带排列,这种协同效应促进了气体传感器对H2S分子的敏感和选择性反应。新型10%ZnO/SBO传感器具有出色的H2S传感性能,包括高响应（10ppm为107.6）、20ppb的低检测限、良好的选择性和长期稳定性。该气体传感器还具有工作温度低（75℃）、SBO的本征疏水特性赋予的湿度依赖性弱等优点,为石油、天然气等多种工作场所的痕量H2S污染物的实际监测奠定了重要基础。2.甲硫醇（CH4S）和H2S具有相似的起源,由于它们的气味阈值和对健康的影响不同,应该加以区分,因此亟需设计一种新型的异质结构气体传感器用于甲硫醇（methylmercaptan,MM）的高灵敏度和选择性检测。通过简单的化学沉淀法制备了纳米CdS/SBO异质结构材料,该材料制成的气体传感器可在100℃的较低工作温度下对MM具有高响应。气敏测试结果表明,异质结构CdS/SBO（SBO复合摩尔量为0.05%）气体传感器对100ppm的MM的响应值为114.7,与纯SBO和CdS相比分别提高了约36倍和9倍。并且该传感器对多种挥发性有机物、尤其是挥发性硫化物响应很弱,相同浓度下,该传感器对MM的响应也大于H2S,具有优异的选择性。此外,该敏感材料以CdS为主,有效地克服了常规氧化物传感器因不可逆硫化导致稳定性差的问题,因此呈现出较好的长期稳定性。并且对气敏提升机理进行分析表明丰富的氧空位、可逆的硫化-脱硫反应以及在界面中形成大量n-n异质结促进了表面活性物质的氧化还原反应,这使得CdS/SBO气体传感器具有出色的传感特性。3.随着物联网低功耗、低风险的发展趋势,亟需开发基于金属氧化物纳米结构的高性能室温气体传感器。光活化气敏技术在保证MOS的室温气敏性能方面具有很高的效率,虽然紫外光照射已被广泛应用于基于MOS气体传感器的室温响应激活,但光照激发丰富的载体（低基线电阻）引起的低响应,以及紫外光诱导的亲水性在潮湿的空气环境中易引起降解甚至传感器水中毒,阻碍了其实际应用。将15 mol%（优化配比）的ZnO纳米粒子偶联到疏水SBO基体上,制备了疏水ZnO/SBO气体传感器。455nm可见光不仅可以触发气体/氧化物界面电荷交换,而且与365 nm紫外光相比,还可以大大降低气体传感器载流子浓度,从而显著提高了三甲胺（TMA）在室温下的响应,包括灵敏度的提高,高检测限（10 ppb）、优异的选择性、重现性和长期稳定性。更重要的是,当前的疏水性ZnO/SBO气体传感器可以在较高相对湿度（RH90%）下工作,相对于干燥空气背景的响应略下降（17%）,这为MOS气体传感器在潮湿环境中的实际应用提供了潜力。
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