随着我国经济社会的快速发展,大气环境和微环境污染问题已经成为最受关注的话题之一。准确和实时检测环境中的有毒、有害、易燃和易爆气体对于环境治理以及保障人类健康和生命安全具有重要意义。气体传感器作为检测气体种类和浓度的器件或系统,因其体积小、成本低、易制作、可集成和在线测量等优点,广泛应用于大气环境和微环境监测、工业和家庭安全监控、医疗和健康诊断等领域。在基于各种原理的气体传感器中,氧化物半导体气体传感器具有全固态、高灵敏、高可靠等优势,一直是气体传感器领域的研究前沿与热点。如何提高氧化物半导体气体传感器的灵敏度、选择性和稳定性是本领域的核心科学问题,也是拓展其应用的关键。对于氧化物半导体气体传感器,其性能与作为传感材料的氧化物半导体的结构和成分密切相关。随着纳米科学和微纳加工技术的发展,人们发现氧化物半导体材料在纳米尺度下,具有独特的机械、光学、电学和催化特性。除此之外,其比表面积会随着晶粒尺寸的减小而增大,并且载流子的运动也受到晶粒尺寸的影响。为了进一步提高氧化物半导体气体传感器的性能,满足其实际应用的需要,设计和制备高性能的氧化物半导体纳米材料成为了研究的核心部分。随着静电纺丝技术的发展,人们发现一维的纳米材料因其超大的长径比和特殊的疏松多孔的纳米颗粒堆积结构,非常适合作为气体敏感材料。因此,本论文采用一维二氧化锡纳米纤维作为基体传感材料,通过异质阳离子原位掺杂改性技术,优化传感材料的识别功能、转换功能以及敏感体利用率,实现气体传感器性能的提升。具体研究内容如下:1.利用静电纺丝法制备了单一以及1、3、5 mol%Co离子掺杂的SnO₂纳米纤维,SEM和TEM表征结果显示所合成的样品为直径约100 nm的均一纳米纤维结构。通过分析XRD的表征结果发现,随着掺杂量的增加,衍射峰的半峰宽变大并向高角度偏移,说明组成纳米纤维的晶粒尺寸逐渐减小以及Co离子成功地掺入到SnO₂晶格中,并有效地抑制了SnO₂晶粒的生长。利用热压技术将所合成的传感材料形成在平面电极基板上,制作平面式敏感元件并测试其传感性能。结果表明,相比于单一的SnO₂纳米纤维,基于3 mol%Co离子掺杂的SnO₂纳米纤维对乙醇气体表现出好的选择性,且灵敏度提升最为明显。在最佳工作温度300℃下,对100 ppm乙醇气体的响应值为40.1,是单一SnO₂纳米纤维的4倍。同时,该传感器具有良好的重复性和稳定性。结构单元的小尺寸效应、Co离子掺杂对SnO₂纳米纤维载流子浓度的调控以及Co₃O₄与SnO₂之间形成的p-n异质结构是气体传感特性改善的主要原因。2.以RhCl₃作为出发源,采用静电纺丝方法和后续的退火工艺制备出Rh³⁺原位掺杂的SnO₂纳米纤维,研究了掺杂量对传感特性的影响并确立最佳掺杂量。有关形貌、结构和成分的表征结果显示,所合成的Rh-SnO₂纳米材料是由纳米颗粒组成且直径约为150 nm的纳米纤维结构,颗粒尺寸随着掺杂量的增加而减小,由未掺杂的9.9 nm降低到掺杂量为1.0 mol%时的4.4 nm。将所合成的样品均匀覆盖在平面电极基片的表面,制作成平面式敏感元件,并对其传感性能进行评价。结果表明Rh³⁺掺杂能够显著提升SnO₂对丙酮气体的选择性和灵敏度,相比于未掺杂的SnO₂纳米纤维,0.5 mol%Rh-SnO₂纳米纤维对丙酮气体的传感特性提升幅度最大。在最佳工作温度200℃下,其对50 ppm丙酮气体的响应值为60.6,是未掺杂SnO₂纳米纤维的9.6倍,而对其他测试气体的响应值的提升不如丙酮明显,说明该传感器对丙酮有较好的选择性。另外,该传感器也具有较低的检测下限（1 ppm）、快速的响应和恢复特性（响应时间2 s,恢复时间64 s）以及较好的重复性。Rh离子掺杂的增敏机理解释为:Rh离子掺入所引起的SnO₂晶粒尺寸的降低、载流子浓度的变化以及Rh₂O₃起到的电子敏化作用是提高气敏特性的主要原因。另外,根据XPS的表征结果,Rh离子掺入后引起的化学吸附氧浓度和空位氧浓度的提高对于传感特性的改善起也到重要作用。3.选用Ru离子作为掺杂剂,通过静电纺丝技术和退火处理实现Ru⁴⁺原位掺杂SnO₂纳米纤维的合成。SEM和TEM表征结果显示所制备的纳米纤维直径主要分布在120 nm-150 nm范围内,且具有疏松多孔的表面。XRD图谱表明SnO₂衍射峰随着Ru离子的掺入发生明显的高角度偏移和宽化,说明Ru⁴⁺掺入SnO₂晶格并降低了晶粒尺寸。将未掺杂和1、2、3 mol%Ru-SnO₂纳米纤维涂覆到平面电极基板上制作出敏感元件,并系统测试其传感性能。测试结果表明,相比于单一的SnO₂纳米纤维,掺杂后的纳米纤维对丙酮气体的灵敏度和选择性均得到明显的改善,尤其是2 mol%Ru-SnO₂纳米纤维的灵敏度提升更为显著。在最佳工作温度200℃下,其对100 ppm丙酮气体的响应值为118.8,是SnO₂纳米纤维的12倍。值得注意的是该气体传感器具有快的响应速度（响应时间为1 s）,检测下限降低至ppb量级（500 ppb）,表明其在糖尿病呼气标志物检测中具有潜在应用价值。丙酮传感特性大幅度提升的主要原因为Ru离子的掺入调控了结构单元的尺寸和表面化学吸附氧和空位氧的浓度。晶粒尺寸的降低导致了电子耗尽层所占比例增大,空位氧浓度的增加会为传感材料表面发生的气敏反应提供更多的活性位点,促进气体在传感材料表面的吸附,而化学吸附氧数量的增加使得更多的电子参与转移。