半导体气体传感器因具有寿命长、检测范围广、成本低、功耗低和制作简单等特点,适合研制便携式气体检测仪,已被广泛应用于易燃易爆、有毒有害气体检测上,是目前产量最大、应用最广的气体传感器之一。其中,ZnO气体传感器具有检测范围广、化学稳定性好,灵敏度高等特点,是目前研究最多、应用范围最广的半导体气体传感器。但是,传统的ZnO气体传感器的灵敏度、选择性和长期稳定性等指标仍然不能满足现场环境检测的要求,存在巨大的提升空间。因此,开发灵敏度高、稳定好、选择性好、响应-恢复时间短且成本低的ZnO气体传感器成为当前研究的热点。本文以提高ZnO气体传感器性能为目标,从敏感材料结构和组成优化出发,设计、合成了ZnO花状结构纳米材料、NiO/ZnO异质结花状结构纳米材料、Pd掺杂ZnO花状结构纳米材料、Pd掺杂ZnO纳米棒列阵材料,并以甲醛、三甲胺等不同气体为测试对象,揭示了不同形貌结构和组成对其气敏特性的影响及其气敏机制。本文主要内容分为如下几个方面:1.通过简单的水热反应结合后续煅烧工艺,成功的制备了由纳米片组装的ZnO花状结构纳米材料,通过XRD、SEM等表征手段来确定其最佳的合成条件,同时,分析了其生长机理。将制得的ZnO花状结构纳米材料构筑旁热式气体传感器,并采用静态配气法测试了传感器对甲醛气体的敏感特性。测试结果表明ZnO花状结构纳米材料对甲醛气体表现出良好的气敏性,并对其气敏机理进行讨论。2.为进一步提高甲醛气体的检测能力,采用一步简单的水热合成路线,在上述实验基础上,获得NiO/ZnO异质结花状结构纳米材料。通过SEM、XRD、XPS等表征手段对相应的微观结构进行了分析。结果显示:所制备的花状结构由形状、大小相似的纳米片组装而成,NiO含量对ZnO花状结构基本没有影响。由NiO/ZnO异质结花状结构纳米材料制作的气体传感器对甲醛有良好的敏感特性。NiO/ZnO异质结结构传感器与纯ZnO传感器相比具有更高的灵敏度和较低的工作温度。特别是3 mol%NiO/ZnO异质结花状结构纳米材料传感器,其在200°C时对100 ppm甲醛的灵敏度达到26.2,且具有快速响应-恢复特性、良好的稳定性及对甲醛的良好选择性,表明NiO/ZnO异质结的形成,显著改善了ZnO的敏感特性。同时,讨论了NiO/ZnO异质结结构的敏感机理,其与界面处p-n异质结的形成和NiO的高催化活性有关。3.采用一步简单的水热法成功的制备了Pd掺杂(掺杂量分别为0、0.5、1和2 mol%)的ZnO花状结构纳米材料,并对其结构、形貌和元素组成进行SEM、TEM、XRD、XPS等表征。Pd的引入并未改变ZnO花状结构特征。通过比较纯ZnO和Pd掺杂的ZnO花状结构纳米材料对三甲胺(TMA)气体的敏感特性,发现Pd掺杂的ZnO传感器对TMA表现出良好的气敏特性。特别是1 mol%Pd掺杂的ZnO传感器,对TMA气体具有最佳的气敏性能,其在250°C时对5 ppm TMA的灵敏度为3.8,且具有快速的响应/恢复特性、良好的稳定性及对TMA气体的良好选择性。这种优异的传感性能可归因于PdO的“电子敏化”和“化学敏化”两种增感机制,加速了目标气体的反应并大大拓宽了表面耗尽区域。4.为了防止在制作传感器过程中材料形貌特征的损坏,通过简单的湿化学途径在陶瓷管上原位生长Pd掺杂(掺杂量分别为0、0.5、1和2 mol%)的ZnO纳米棒阵列。通过SEM、TEM、XRD、XPS等表征发现ZnO纳米棒的直径在50-200 nm范围,并且引入Pd之后,纳米棒的形状和直径均未发生明显变化。采用静态配气法测试了传感器对TMA气体的敏感特性。气敏测试结果表明,与纯ZnO纳米棒传感器相比,掺杂Pd能显著提高ZnO对TMA气体的气敏性能。特别是1mol%Pd掺杂的ZnO传感器对TMA气体的气敏性最佳,其在300°C时对5 ppm TMA的灵敏度为5.5,同时具有检测下限低、选择性好、响应和恢复迅速等优点,其气敏性能的提高可归因于PdO的“电子敏化”和“化学敏化”两种增感机制,加速了目标气体的反应并大大拓宽了表面耗尽区域。