ZnO气敏材料具有优异的性能、成本低廉和对环境友好等特点,成为丙酮气体传感器中主要的气敏材料。目前,ZnO基丙酮气敏传感器成为国内外研究热点,随着研究不断深入,其气敏特性逐步提高,但仍存在选择性差、工作温度高、稳定性差、检测浓度下限高等缺点,限制了其工业应用。未来几年,改善ZnO基丙酮气敏传感器的选择性及稳定性,降低其工作温度和检测浓度下限,成为提高ZnO基丙酮气敏传感器气敏性能的重点研究方向。本课题采用溶胶-凝胶法,制备了Co₃O₄掺杂量分别为0wt%、2.13wt%、4.13wt%、6.13wt%的纳米ZnO粉末,经过过滤、退火、研磨等工艺步骤制得Co₃O₄掺杂的ZnO纳米材料。为了研究材料的表面形貌、结构、组分及能带特性,采用XRD,XPS,SEM,EDS和UV-vis光谱对Co₃O₄掺杂的ZnO样品进行了测试与表征。采用系统的对比实验,提出了制备ZnO基气敏材料的最佳工艺条件;利用气敏测试系统,研究了Co₃O₄掺杂量和退火温度对Co₃O₄-ZnO厚膜丙酮气敏传感器的气敏性能影响;通过紫外-可见光激发试验,深入研究了光激发对Co₃O₄-ZnO纳米材料丙酮气敏特性的影响;借助老化实验,探讨了老化温度和环境湿度对Co₃O₄-ZnO厚膜气敏元件稳定性的影响;将p-n异质结模型与紫外-可见光激发理论相结合,进一步分析了Co₃O₄-ZnO厚膜丙酮气敏传感器的气敏机理。实验结果表明:4.13wt%Co₃O₄-ZnO异质结构纳米材料的最佳工作温度低至30℃。在此工作温度下,经700℃退火的4.13wt%Co₃O₄-ZnO元件对100ppm丙酮的灵敏度可达24.4,比未掺杂的ZnO高3.7倍,响应和恢复时间也从16秒和7秒减少到4秒和3秒,Co₃O₄的掺入显著增强了ZnO气敏元件的灵敏度和对丙酮的选择性,有效降低了工作温度;紫外光激发对材料气敏特性有明显的影响,在紫外光照射下,元件对100ppm丙酮的灵敏度为50.1,约为黑暗条件下气体响应的2倍。且可见光对材料的灵敏度的提升也有明显的作用,可见光下,元件对100ppm丙酮的灵敏度为37.2,约为黑暗条件下气体响应的1.5倍,Co₃O₄的掺杂显著提高了其对可见光的利用率;元件在老化温度为30℃以及相对湿度为88%RH的老化条件下,老化32天后,灵敏度的衰减仅为2%。适合的老化条件可以提高Co₃O₄-ZnO厚膜丙酮气敏元件的稳定性。课题采用700℃退火以及4.13wt%Co₃O₄掺杂等工艺,有效提高了ZnO基厚膜气敏传感器对丙酮气体的灵敏度和选择性,降低了工作温度,有助于低浓度丙酮的检测。