金属氧化物气敏机理的第一性原理计算及实验研究

Metal oxide gas sensor has played a key role in the detection of toxic and hazardous gas for residents living and industrial production. In the research field for gas sensor, the researchers will focus on exploring new type of sensing materials to enhance their sensing performances. Because the gas sensing mechanism in many aspects remains unclear, therefore many problems such as the poor selectivity and low gas response are difficult to solve. Thereby, the gas sensing materials in the aspects of practical application has been restricted greatly. This project breaks through the common understanding of the gas sensing mechanism. Based on the process of gas sensing reaction, three types of gas sensing mechanism are proposed, including the detected gas directly react with sensing material (non-adsorbed oxygen sensing mechanism), the detected gas react with adsorbed oxygen on the surface of sensing materials (adsorption oxygen sensing mechanism) and simultaneous action of above two types of mechanisms. A first principles calculation was performed to verify and analyze corresponding gas sensing mechanisms from atomic configurations and electronic structures view points. Several simulation mechanisms of metal oxide sensing material system were established. These mechanisms may provide a scientific criterion in the analysis of gas-sensing property and predictions of the results, and also provide some new insights to solve the key problems for sensing materials research.

金属氧化物气体传感器在对居民生活和工业生产中有毒有害气体的检测发挥了重要作用。在气体传感器的研究中，焦点集中在发展新型气敏材料，以提高传感器各项性能。由于气敏机理的诸多方面不明确，因此对于气敏材料选择性差，灵敏度低等问题难以解决，使气敏材料在实用化方面受到极大限制。本项目突破传统氧化物气敏机理的普遍认识，基于氧化物的气敏反应过程提出了三种气敏敏感机制的研究，包括测试气体直接与气敏材料作用的敏感机制(非吸附氧敏感机制)，测试气体与气敏材料表面吸附氧作用的敏感机制(吸附氧敏感机制)，以及两种方式共同作用的气敏敏感机制。运用第一性原理计算，从原子构型及电子结构的角度验证并分析对应的各种气敏敏感机制，建立若干氧化物体系普遍适用的气敏反应模拟机制，为气敏材料研制中的气敏性能分析及结果预测提供科学判据，并为解决气敏材料研究中的关键问题提供新思路。

在气敏传感器的研究中，焦点集中在发展新型气敏材料，以提高传感器灵敏度、选择性和稳定性、以及发展先进的制造技术以降低其成本，同时确保其可靠性、安全性和重复性等。由于缺乏普遍适用的气敏机理模拟机制，目前气敏材料的研发仍需要进行大量反复的尝试实验。因此，如何有效准确地选取掺杂物以及分析掺杂物如何影响气敏性能是在气敏机理的研究中的两个重要课题。而本项目的主要目的就是建立完整的气敏机理模型，为进一步开发新型气敏材料提供理论指导，并对气敏测试中的各种实验结果提供理论解释。. 本项目选取的气敏材料研究体系是SnO2/TiO2，作为重要的半导体功能材料，SnO2-TiO2复合氧化物体系一直是国内外研究热点。对于气敏机理的研究，可将其作为n型半导体氧化物的代表，建立较为完整的气敏机理模拟机制。本文首先制备出纳米TiO2/Sn、SnO2/Ti以及Ti-Sn-O2粉体材料，测试材料在不同气体环境下的气敏性能，并基于第一性原理对气敏材料表面原子结构及其气体吸附性能进行理论计算，分别建立了锐钛矿TiO2体系、金红石SnO2体系以及Ti-Sn-O2固溶体体系的气敏机理模拟机制，揭示SnO2、TiO2传感效应的本质。从原子结构及电子性能等角度分析了实验现象，验证了吸附模型解释气敏机理的可行性。