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第1章 气敏传感器概述1

1.1 气敏传感器简介1

1.2 金属氧化物气敏传感器的结构分类2

1.3 金属氧化物气敏传感器的膜厚分类与特点4

1.4 金属氧化物气敏传感器的加热方式分类与特点5

1.5 半导体金属氧化物的气敏机理研究7

1.5.1 离子吸附模型7

1.5.2 多孔膜模型和致密膜模型8

1.5.3 气敏机理通式9

1.6 掺杂理论13

1.6.1 内部掺杂13

1.6.2 外部掺杂13

1.7 气体传感器的发展趋势15

1.7.1 新型气敏材料的探索与开发15

1.7.2 对现有材料的改进15

1.7.3 气体传感器的微型化、智能化和防尘化15

1.7.4 加强气敏机理的研究16

1.7.5 气敏元件的多品种化、低功耗和常温化16

1.7.6 基础研究日趋活跃16

1.7.7 纳米材料的应用17

参考文献18

第2章 ZnO纳米线的制备与表征21

2.1 ZnO简介21

2.1.1 ZnO的结构21

2.1.2 ZnO应用前景25

2.2 物理热蒸发法制备ZnO纳米线26

2.2.1 工艺设备26

2.2.2 制备工艺过程27

2.2.3 设备及ZnO纳米线27

2.2.4 工艺参数的影响28

2.2.5 透射电子显微镜（TEM）表征34

2.2.6 ZnO纳米线的生长机制分析36

2.2.7 X射线衍射38

2.3 Al2O3模板法制备ZnO纳米线38

2.3.1 工艺流程38

2.3.2 电化学抛光后的铝箔表面形貌分析43

2.3.3 Al2O3模板的FESEM图及XRD图44

2.3.4 ZnO纳米线的FESEM图及EDX图45

2.3.5 多孔氧化铝膜的形成机理46

2.3.6 模板法沉积ZnO纳米线的机理分析47

参考文献49

第3章 纯ZnO纳米线的气敏特性52

3.1 气体传感器的制备52

3.2 气敏元件的制备工艺流程52

3.3 元件的气敏性能测试方法54

3.3.1 元件的气敏性能测试装置与原理54

3.3.2 气敏元件的测试方法57

3.3.3 气敏元件的主要性能参数及其计算公式58

3.4 纯ZnO纳米线的气敏性能60

3.4.1 ZnO气敏基料的制备60

3.4.2 不同烧结温度下ZnO纳米线的形貌图61

3.4.3 烧结温度对ZnO纳米线乙醇蒸气性能的影响62

3.5 气敏机理与影响因素67

3.5.1 气敏机理探讨67

3.5.2 ZnO纳米线对乙醇的气敏机理68

3.5.3 影响气敏机理的主要因素70

参考文献71

第4章 金属掺杂及表面修饰ZnO纳米线的气敏特性73

4.1 ZnO纳米线表面修饰Ag纳米颗粒的气敏性能74

4.1.1 Ag纳米颗粒表面修饰ZnO纳米线的制备74

4.1.2 Ag纳米颗粒表面修饰ZnO纳米线的表面形貌图74

4.1.3 Ag纳米颗粒修饰的ZnO纳米线的XRD图75

4.1.4 Ag纳米颗粒修饰对ZnO纳米线的气敏特性的影响75

4.2 其他元素掺杂对ZnO纳米线气敏性能的影响77

4.2.1 元素掺杂ZnO纳米线的制备77

4.2.2 其他元素掺杂对ZnO纳米线温度—灵敏度曲线78

4.2.3 元素掺杂的ZnO纳米线对乙醇蒸气的响应—恢复特性79

4.2.4 元素掺杂的ZnO纳米线的XRD图80

4.2.5 紫光激发对Ag纳米颗粒修饰ZnO纳米线气敏性能的影响81

4.2.6 紫光激发对ZnO纳米线气敏性能提高的原因分析84

4.3 掺杂提高气体灵敏度的机理分析85

4.3.1 掺杂提高气体灵敏度的基本原理85

4.3.2 稀土氧化物掺杂提高ZnO纳米线气体灵敏度的原因分析85

4.3.3 金属掺杂提高ZnO纳米线气体灵敏度的原因分析86

4.3.4 Ag纳米颗粒修饰对提高ZnO纳米线气敏元件电阻的原因分析86

4.3.5 Ag纳米颗粒修饰对提高ZnO纳米线气敏元件乙醇灵敏度的原因分析87

4.3.6 不同掺杂对提高ZnO纳米线对不同气体灵敏度的选择性分析87

参考文献88

第5章 有机导电材料与ZnO纳米线复合的气敏特性90

5.1 导电高分子简介90

5.2 聚苯胺简介91

5.2.1 聚苯胺的合成91

5.2.2 聚苯胺的聚合机理92

5.2.3 聚苯胺的导电机理及气敏机理94

5.3 聚苯胺的制备95

5.3.1 聚苯胺的制备工艺[17]96

5.3.2 制备聚苯胺与氧化锌的复合材料97

5.3.3 聚苯胺的表征97

5.3.4 工艺参数对纯聚苯胺NH3气体灵敏度的影响100

5.4 工艺参数对于聚苯胺-氧化锌复合材料NH3气敏性能的影响105

5.4.1 目标气体浓度的影响105

5.4.2 复合材料的复合比例的影响106

5.4.3 工作温度的影响107

5.4.4 复合材料的响应—恢复性能107

参考文献109

第6章 ZnO纳米线气敏传感器对气体的识别111

6.1 气体的识别检测111

6.1.1 气体识别检测简介111

6.1.2 气体识别检测技术的发展111

6.2 ZnO纳米线气敏元件对气体种类的判别112

6.2.1 ZnO纳米线气敏元件阵列112

6.2.2 识别气体种类的最近邻域法112

6.2.3 ZnO纳米线气敏元件阵列对单一样气的测试和识别116

6.2.4 ZnO纳米线气敏元件阵列对混合气体的识别118

6.3 ZnO纳米线气敏元件对气体浓度的初步判定120

6.3.1 利用ZnO纳米线气敏元件对气体浓度进行判定的机理120

6.3.2 利用ZnO纳米线气敏元件性能与测试气体浓度关系曲线的拟合方程对气体浓度进行判定122

6.4 基于神经网络的纳米ZnO气敏传感器阵列的气体识别127

6.4.1 人工神经网络简介127

6.4.2 纳米ZnO基气敏传感器阵列的构建127

6.4.3 基于BP神经网络对目标混合气体种类的识别128

6.4.4 气体种类的识别130

6.4.5 相对浓度高低的识别131

参考文献132

第7章 Ga掺杂改性ZnO的第一性原理计算133

7.1 计算材料学方法简介133

7.2 第一性原理简述134

7.2.1 密度泛函理论的简述134

7.2.2 CASTEP简介135

7.2.3 赝势平面波方法136

7.2.4 结构优化137

7.3 计算方法和理论模型138

7.3.1 计算方法138

7.3.2 理论模型138

7.4 Ga掺杂ZnO的晶体结构和电子结构139

7.4.1 Ga掺杂ZnO的晶格结构139

7.4.2 形成能的计算140

7.4.3 Ga掺杂ZnO电子结构140

7.5 Ga掺杂ZnO的气敏机理146

7.5.1 吸附机理147

7.5.2 理论模型和计算方法147

7.5.3 本征ZnO对CO的气敏机理149

7.5.4 Ga掺杂ZnO对CO的气敏机理151

参考文献153