NO2气体是影响空气质量的重要污染物之一,研发高响应、低成本、易维护的NO2半导体气体传感器尤为必要,其中,ZnO是具有较好应用前景的NO2半导体气敏材料。目前,半导体气体传感器的重要研究方向之一是降低工作温度,室温为最佳。利用紫外光激发可以有效地将ZnO的工作温度降低到室温。然而,紫外光需要定制光源,还会使传感器装置中高分子部件发生老化,甚至会引起目标气体发生分解或化合反应,有一定的使用局限性,所以研发可见光激发型ZnO室温N02气体传感器更有实际应用前景。本文面向研发高性能可见光激发型ZnO室温NO2气体传感器的需求,立足ZnO可见光吸收能力差、电子浓度低和室温N02吸附活性有限这三个核心问题,通过氧缺陷自掺杂手段拓宽了 ZnO可见光吸收范围,增大其电子浓度,改善其NO2吸附活性,进而显著提高其室温N02气敏性能。分别采用紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、基准电阻测量和室温N02气敏性能测试研究了 ZnO可见光吸收能力、电子浓度和NO2吸附活性随氧缺陷浓度的变化规律,并结合第一性原理计算(DFT)从吸附能以及电子转移的角度分析了氧缺陷浓度与气敏性能增强的内在联系,建立了可见光激发型ZnO1x室温NO2气体传感器的气敏机理模型。此外,本文在高浓度氧缺陷的基础上还通过构建分级和低维纳米结构、同型异质结复合、引入窄带隙半导体和rGO四种方法进一步提高了可见光激发型ZnO1-x气体传感器的室温NO2气敏性能。具体的研究内容如下:(1)多孔纳米结构ZnONx的NO2气敏特性研究。构建多孔纳米结构有利于增大材料的比表面积和孔隙率,提高NO2气体的吸附位数量和吸附活性,加快气体扩散速度,将氧缺陷自掺杂和构建多孔纳米结构两种方法结合以提高ZnO的室温NO2气敏性能。实验采用溶液等离子喷涂(SPPS)方法制备了多孔纳米结构高浓度氧缺陷ZnO1-x传感器,SPPS工艺具有的超高温度、超快冷却速度和还原性气氛三个特点使ZnO中生成了高浓度氧缺陷,氧缺陷的存在使ZnO可见光吸收范围发生了明显红移,电子浓度增大,可见光照射下,多孔纳米结构氧缺陷ZnO1-x传感器对ppm(体积浓度单位,1ppm=0.75mg/mn3)级NO2表现出了良好的室温气敏响应,但是传感器的响应较低,响应和恢复时间较长,需要进一步提升其性能。此外,可见光的波长和光强对ZnO、传感器的气敏性能具有显著的影响,当波长减小或光强增大时,传感器的气敏性能明显提高,10.0mW/cm2蓝光为最佳激发光源。(2)不同氧缺陷浓度ZnO1、的NO2气敏特性研究及DFT模拟计算。为了研究氧缺陷浓度对NO2气敏性能的影响规律,鉴于SPPS工艺很难实现大范围氧缺陷浓度的调控,通过热分解ZnO2可以制备不同氧空位浓度ZnO1-x气敏层,通过调控ZnO2含量制备不同氧缺陷浓度ZnO1-x传感器,实验主要围绕氧缺陷浓度对ZnO带隙宽度、吸光能力、电子浓度和NO2吸附活性的影响规律开展研究,当氧缺陷浓度增大时,ZnO1-x的带隙宽度减小,可见光吸收能力和电子浓度增大,室温NO2气敏性能增强,传感器的响应提高,响应和恢复时间缩短。此外,本章还利用DFT模拟研究了氧缺陷浓度对ZnO带隙宽度、吸附能以及电子转移的影响规律,计算表明ZnO带隙变窄的本质原因是氧缺陷导致价带顶上移并使价带发生展宽。同时,增大氧缺陷浓度会减小NO2气体在ZnO1-x表面的吸附能,反应活化能下降,NO2气体的吸附反应更容易进行。氧缺陷浓度的升高还会促进NO2气体与ZnO1-x之间电子转移,传感器的响应更高,响应和恢复时间更短。(3)分级结构ZnO1-x纳米片的NO2气敏特性研究。针对多孔纳米结构ZnO-x室温N02气敏响应有限的问题,结合分级纳米结构和氧缺陷自掺杂两种手段共同提升ZnO1-x的室温NO2气敏性能。首先采用直接沉淀法合成了分级结构ZnO纳米片粉末,然后利用悬浮火焰喷涂(SFS)制备了分级结构ZnO1-x纳米片柔性传感器,与SPPS类似,SFS工艺也具有较高温度、较快冷却速度和还原性气氛三个特点,因此SFS喷涂产物也含有高浓度氧缺陷。实验通过调节喷涂距离获得了不同氧缺陷浓度ZnO1-x气敏层,与多孔纳米结构ZnO1-x相比,在氧缺陷浓度和可见光吸收范围相似的情况下,分级结构ZnO1-x纳米片对ppm级NO2的气敏响应有了明显提高,分级结构解决了 0D纳米颗粒容易团聚的问题,显著增大了材料的比表面积,提高了 NO2气体的吸附位数量和活性。此外,目前制备柔性气体传感器的方法大多为中低温法,本实验是较少采用高温沉积法制备柔性气体传感器的例子,工艺简单且效率更高。(4)多孔纳米结构ZnO1-x异质结复合物的N02气敏特性研究。针对ZnO1-x室温NO2气敏性能有限的问题,结合异质结复合和氧缺陷自掺杂两种手段进一步提高ZnO1-x的气敏特性。实验主要采用了两种复合改性的思路,第一种是引入SnO1-α和SnO2-γ构建同型异质结,由于能级结构匹配,将SnO1α或Sn02-γ与ZnC1-β复合能有效分离电子空穴对,增大电子浓度,促进气敏材料与N02气体之间的电子转移,减小N02气体获取电子的难度,提高传感器的气敏响应。第二种是引入窄带隙半导体Cu2O1-α和CuO1-γ以大幅提高ZnO1-β吸收可见光的范围和能力,加快NO2气体在材料表面的吸附和解吸附速度,实验通过溶液等离子喷涂(SPPS)方法分别制备了 SnO1-α@ZnOi-β@SnO2-γ和Cu2ONα@ZnO1-β@CuO1-γ两种高浓度氧缺陷ZnO1-β基复合物传感器,与ZnO1-x相比,虽然二者氧缺陷浓度和表面形貌基本一样,但是SnO1-α@ZnO1-β@SnO2-γ和 C01O-@ZnO1-β@CuO1-γ传感器的室温NO2气敏性能大幅提升了,传感器的响应更高,且响应和恢复时间更短。(5)rGO@ZnO1-x纳米片的N02气敏特性研究及分子动力学(MD)模拟计算。针对ZnONx室温气敏响应有限的问题,在高浓度氧缺陷的基础上,通过引入rGO以利用其比表面积高、导电性好以及电子传输快等优点进一步提高了 ZnO1-x的室温NO2气敏性能。实验通过还原性气氛水热反应法合成了 rGC@ZnO1-x复合物,产物形貌为rGO包裹ZnO纳米片,大量ZnO纳米片均匀地负载在rGO片层上,rGO@ZnO1-x复合物在整个可见光区域都有很强的吸收,相比于ZnO1-x传感器,rGO@ZnO1-x复合物的气敏性能有了大幅提高,即使对ppb级NO2都具有优异的室温气敏响应,检测极限很低且响应和恢复速度很快。此外,本章利用MD模拟从吸附能的角度研究了 rGO@ZnO1-x复合物的NO2气敏性能增强机理,计算表明石墨烯的引入使NO2气体的吸附能下降了三分之二,反应活化能明显减小,NO2气体的吸附反应能更容易和快速地进行。