气体敏感材料多参数、多层次性能评价系统及相关基础研究

气敏材料广泛用于食品安全、环境监测、公共安全、航空航天等领域。多年来，由于缺乏科学的性能评价体系及可靠的性能测试平台，不同研究群体间的性能数据无法共享，不同体系气敏材料性能无可比性，严重阻碍了气敏材料科学研究的发展。本研究拟采用多层次（基本物理性能、反应机理、材料气敏性能、材料阵列气敏性能）、多参数（静态与动态）的方法定义敏感材料性能评价体系。在测试系统硬件结构设计方面，重点研究测试腔内温度、流速和浓度分布，建立温度场、流场和浓度场耦合数学物理模型，优化测试腔结构设计，提高测试性能指标的准确性和重复性。测试系统的软件主要实现响应信号获取，敏感材料响应特征的快速提取，多参数材料性能的计算等多种功能。通过上述研究，构建出一种气敏材料多参数多层次评价仪器，该科学仪器可服务于材料微结构设计、气敏性能和气敏机理研究，同时也可推广到元件及其元件阵列性能评价、专用电子鼻系统开发等方面。

为构建科学的气敏材料性能评价体系，促进气敏机理研究、高性能气敏材料开发以及气敏材料阵列的应用与推广，研制了一种金属氧化物（MOX）高通量多参数测试仪器。该仪器具有高通量、原位与多参数测试等特点：可同时测量多个MOX材料膜的气敏性能；可在可控环境（温度、激发光波长以及气氛类别与浓度可控）下测试MOX材料膜的气敏参数；可同时测量MOX材料膜的I-V信号、R-t信号、交流阻抗谱以及功函数。金属氧化物（MOX）高通量多参数测试仪主要的性能指标为：同时测量材料膜数量为36个；温度控制范围为室温-400°C；激发光波长可控范围为200nm-2µm；气体浓度控制极限为10ppb；材料膜电阻测量范围为1KΩ-100MΩ；电流测试极限为1nA；交流阻抗测试频率范围为5Hz-12MHz；功函数测试精度为5meV。. 基于金属氧化物（MOX）高通量多参数测试仪，经理论推导在该仪器上同步进行I-V测试、R-t测试、交流阻抗、功函数的测量，可获得MOX材料膜表面能带弯曲参数qVs、功函数Φ（EF）、电子亲和能χ、导带底位置EC等参数。基于金属氧化物（MOX）高通量多参数测试仪开展了一系列的基础性研究，包括：导电模型研究、连续光电流谱研究、响应动力学研究、气敏材料高通量筛选与选择性研究等。导电模型研究基于导电模型推导、I-V/R-t测试结合多参数拟合，可以得到导电模型中的关键电学微结构参数：晶界势垒高度，以及微观形貌参数：平均烧结颈宽度，平均烧结颈密度，并通过定义耗尽层变化量与平均烧结颈宽度的比值作为阀门控制系数，可有效反映气敏性能优劣。连续光电流谱研究中，通过连续步进变化激发光波长并获取材料膜电导信号，可得到光电流谱，ZnO光电流谱试验表明光电流谱可有效反映材料的能带宽度与表面能级位置等信息。响应动力学研究中，通过建立相空间响应动力学模型，可有效拟合气体响应曲线，并获得氧吸附率与气体反应速率常数等参数。气敏材料高通量筛选与选择性研究中，建立了基于材料聚类的高效阵列优化方法，并验证了基于类间距与识别率定义的材料选择性的有效性与实用性，结果表明基于识别率定义的材料选择性明显优于基于类间距定义的材料选择性。