随着机器人、物联网和人工智能等技术的快速发展,传感器在现代社会中发挥着越来越重要的作用,是智能化系统感知世界的关键器件。气体传感器作为众多种类传感器当中的一种,其作用是对环境中的气氛变化进行检测,气体传感器研究的核心问题是发展具有响应速度快、灵敏度高、选择性好及能够长期稳定工作的新型传感材料。金属氧化物具有丰富的材料种类、多变的物理化学特性、微结构易调控等优点,是气体传感器研究关注的重点,在工业生产和环境检测等领域有着广泛的应用。本论文围绕LaBaCo2O6(LBCO)和ZnO两种金属氧化物材料,重点研究了 LBCO单晶薄膜和ZnO纳米棒阵列的气敏性质,并通过所制作的气体传感器,探讨了其探测还原性气体的物理机制及潮湿环境的影响。此外,本工作研究还发现LBCO薄膜电阻具有非常大的温度系数,进而探讨了 LBCO单晶薄膜微型传感器在真空测量方面应用的可行性。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)LBCO单晶薄膜的电学及气敏性质:利用磁控溅射方法在(001)MgO单晶基片上外延生长出具有钙钛矿结构的LBCO单晶薄膜,研究了环境温度和还原性气体对LBCO单晶薄膜电阻的影响。研究结果表明,LBCO单晶薄膜的电阻率与薄膜中的氧含量有关,经过高温氧气退火处理后的LBCO单晶薄膜的电阻温度系数高达7.86%/K,远高于相同条件下沉积的多晶LBCO薄膜和过渡金属薄膜,可用于真空压力的测量。LBCO单晶薄膜在250℃以上具有稳定的可重复的响应乙醇、氢气、一氧化碳和丙酮等还原性气体的能力,其中350℃时的气体检测效果最佳。在350℃,根据电阻(R)变化定义的单晶LBCO薄膜的气体响应(Rgas//Rair)随着乙醇浓度(10～2000 ppm)的增加而逐渐增大,是多晶LBCO薄膜的2～6倍,而响应时间则随乙醇浓度的增加逐渐减小。(2)LBCO微型传感器:利用精密激光加工技术,将LBCO单晶薄膜制作成线宽30至200 的微型传感器,探讨了 LBCO单晶薄膜用于真空测量和还原性气体检测的可行性。研究表明,LBCO微型传感器可对5×10-2至105 Pa范围的真空压力变化做出良好重复性的电阻响应,响应范围比传统的皮拉尼真空计大3个数量级。随着线宽的减小,传感器的灵敏度逐渐降低,但不随气体种类的改变而发生明显的变化。在还原性气体检测过程中发现,LBCO微型传感器的电极区面积对其气敏特性有重要影响。当电极区被适当保护后,不同线宽的LBCO微传感器表现出几乎一致的气敏性能,且具有长时间工作稳定性。LBCO微型传感器对乙醇的气体响应几乎不受潮湿环境的影响,但响应时间随空气湿度的增加呈现出接近指数地增加,不仅表现出优异的抗潮湿能力,而且可用于同时监测空气湿度和乙醇或其它还原性气体。根据使用空气和Ar气为载气的实验结果和LBCO材料中氧含量随温度变化的实验数据,揭示了 LBCO传感器的气体响应机制与LBCO薄膜的氧化-还原过程有关,即属于金属氧化物气体传感器的氧空位机制。(3)ZnO纳米棒阵列的室温光响应及还原性气体的影响:为了将气体传感器的工作温度降低至室温,利用等摩尔Zn(N03)2和C6H12N4水溶液,在图形化的蓝宝石基片上制备出周期性ZnO纳米棒阵列,研究了生长条件对ZnO纳米棒阵列的紫外和可见光响应行为,探讨了室温检测还原性气体的可行性。研究结果表明,在紫外光或可见光照射下,ZnO纳米棒阵列均可以产生明显的光电流。在空气环境中,随着光照时间的增加,ZnO纳米棒阵列的光生电流逐渐增加,在近1小时的时间内都无法达到饱和。在紫外光照射下,ZnO纳米棒阵列的光生电流随着环境中氧气分压的降低而逐渐增大,存在两个不同的响应阶段。当环境中的氧低于空气中的氧含量时,光生电流随着氧气分压的降低急剧增大;而环境中氧高于空气中的氧含量时,光生电流随着氧气分压的增加缓慢下降。利用X射线光电子谱进一步证明,在紫外光辐照下ZnO纳米棒表面存在不稳定性,与环境中的氧含量密切相关。紫外光辐照下的ZnO纳米棒阵列对乙醇或其它还原性气体有响应,是一种有前途的制作室温气体传感器的候选材料,但气体响应速度和灵敏度等气敏性能尚需进一步优化。(4)ZnO纳米棒阵列气敏性质:将ZnO纳米棒阵列制作成双电极气体传感器,研究了生长条件和潮湿环境对ZnO纳米棒阵列气敏性质的影响及其检测机制。研究结果表明,ZnO纳米花阵列在200℃以上具有响应乙醇、氢气、一氧化碳、甲烷和丙酮等还原性气体的能力。在300℃,传感器可以对10～2000 ppm乙醇做出快速响应,气体响应随着乙醇浓度的增加而逐渐增大。研究发现,ZnO纳米棒阵列的气敏性质与乙醇浓度有关,表现为两种不同的浓度依赖关系。通过测量无还原性气体时传感器电阻随氧气分压的变化及ZnO纳米棒表面状态,证明ZnO纳米棒阵列对还原性气体的响应可能涉及晶格氧和吸附氧两种改变电阻的机制。低乙醇浓度时,ZnO纳米棒处于高阻状态,与高氧分压(>4.0×102 Pa)的结果相近,可能的响应机制接近离子吸附模型,即ZnO纳米棒表面电离氧的脱附是引起电阻增加的原因。高乙醇浓度时,ZnO纳米棒过渡到低阻态,等价于传感器工作在低氧分压(<1.7×102 Pa)。此时,ZnO纳米棒表面区的晶格氧被大量还原,氧空位或锌填隙原子是低电阻形成的主要原因。此外,实验证明,因ZnO纳米棒之间的交叠构成的导电网络是主要的电子传输通道。当乙醇环境中有潮湿空气时,ZnO纳米棒阵列的气体响应随着空气相对湿度增加而增大,但响应时间变化不大。在无乙醇或其它还原性气体的情况下,ZnO纳米棒阵列具备检测空气相对湿度的能力。