半导体表面的气体吸附在紫外传感、气体传感、化学传感、催化等领域具有重要的应用价值。而在这些领域中,以ZnO纳米材料为代表的应用因具有较高的性能而广受关注。本文以ZnO纳米线、纳米薄膜为研究体系,通过第一性计算、改进的Wolkenstein化学吸附模型、空间电荷模型、开尔文原子力显微镜与场效应晶体管等方法,对受有限尺寸、紫外照射以及氧空位调控的ZnO表面气体吸附平衡过程,气体吸附对ZnO表面功函数、内部载流子迁移率与扩散距离的影响,及其在紫外传感、气体传感领域的应用进行了研究。研究发现气体吸附对ZnO功函数的影响主要反映在ZnO表面能带的弯曲以及有限尺寸下ZnO内部费米能级与导带距离的增加,吸附气体分子极性对ZnO功函数的影响可以忽略。同时ZnO的载流子迁移率受表面吸附气体的影响,在吸附NO₂时,表面能带弯曲程度最大,导致表面散射与复合增加,载流子迁移率与扩散距离都减小。另外,气体在半导体表面的吸附受到材料尺寸的调控。当ZnO尺寸（纳米线的半径或者纳米薄膜的厚度）小于阈值时,ZnO内部费米能级与导带的距离随着ZnO表面吸附氧的增多而增加,使得内部载流子浓度出现数量级的下降。而紫外光的照射会导致内部载流子浓度的恢复。因此降低ZnO的尺寸可以显著提高其对紫外光的响应。由于有限尺寸ZnO内部的载流子被空气中的氧气完全耗尽,利用紫外光照射可以使得气体吸附导致的表面态能级重新低于ZnO的费米能级。而由于NO₂在ZnO表面的吸附强于O₂的吸附,因此使用紫外光照射可以使得ZnO纳米薄膜对NO₂气体的响应提升。利用这一效应,ZnO纳米薄膜对100 ppm的NO₂的响应从10提高到了575。进一步对氧空位的研究发现,二价氧空位在提升NO₂的吸附上比中性氧空位更加有效。根据这一原理与后退火的方法对ZnO内的氧空位价态进行了调控,使得ZnO表面的中性氧空位转变为二价氧空位。结合紫外光照射以及有限尺寸的效应,ZnO纳米薄膜对100 ppm的NO₂响应度进一步得到大幅提升,达到了3.34×10⁴,从而实现了对ppb级别NO₂的探测。