1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的直接帶隙n型半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于制造場(chǎng)效應(yīng)管、氣體傳感器和太陽能電池等光電子器件領(lǐng)域。在ZnO納米材料的眾多結(jié)構(gòu)中，ZnO納米線由于具有較高的電導(dǎo)率和較大的表面積是構(gòu)建超高靈敏度氣體傳感器的理想材料。但是，目前基于ZnO納米線制造的氣體傳感器仍然存在靈敏度低、工作溫度高，響應(yīng)速度慢等問題，這在一定程度上影響了ZnO氣敏材料的發(fā)展。為了提高ZnO納米線的氣敏性能，可以利用具有催化活性的金屬材料對(duì)其內(nèi)部的能帶結(jié)

2、構(gòu)或載流子濃度進(jìn)行調(diào)控，也可以通過增加其表面積使單位時(shí)間內(nèi)有更多的氣體分子參與吸附或脫附反應(yīng)。因此，研究具有良好催化特性的金屬材料對(duì)ZnO納米線的敏化機(jī)理并實(shí)現(xiàn)具有更大表面積復(fù)合材料的制備與應(yīng)用顯得尤為重要。
　　本論文以ZnO納米線陣列的可控生長及相關(guān)氣敏性能為研究對(duì)象，采用密度泛函理論與水熱法制備相結(jié)合的方式，探索了利用催化劑Pd摻雜和負(fù)載兩種敏化方式對(duì)ZnO納米線的表面形貌以及能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制，明確了不同敏化方式的特點(diǎn)與優(yōu)

3、勢(shì);揭示了Pd作為敏化材料對(duì)ZnO納米線氣敏性能提高的本質(zhì)原因;建立了一套相對(duì)比較可靠地從理論研究到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證闡述催化劑Pd對(duì)ZnO納米線氣敏性能調(diào)控的理論，最后提出了一種可以可控制備具有更大表面積的超長ZnO納米線陣列的方案，并進(jìn)行了初步的氣敏測(cè)試。論文的主要結(jié)論如下:
　　(1)采用第一性原理從理論上研究了氣體分子在Pd原子負(fù)載的ZnO納米線表面的吸附機(jī)理。研究表明，當(dāng)乙醇分子吸附于Pd修飾的無缺陷ZnO納米線表面時(shí)，Pd原子與

4、乙醇分子羥基中的O原子發(fā)生了較強(qiáng)的相互作用，費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度發(fā)生了顯著變化;當(dāng)ZnO納米線表面存在氧空位時(shí)，其能帶寬度由0.83 eV減小到0.75 eV，表明納米線在氧空位處產(chǎn)生了更高活性的點(diǎn)位，體系表現(xiàn)出更多的金屬特性;通過進(jìn)一步研究乙醇、丙酮和甲醇分子在含氧空位ZnO納米線表面的吸附情況，發(fā)現(xiàn)體系對(duì)乙醇分子的吸附能最大，而且能帶寬度最小，這使得電子更容易從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶中參與電荷交換，對(duì)于提高氣體檢測(cè)的靈敏度是非常有利的。

5、r>　　(2)利用水熱法在叉指電極表面制備出了Pd摻雜（摻雜量分別為0、0.25、0.5、1和2 at.％）的ZnO納米線陣列。研究表明，ZnO納米線的直徑隨PdCl2溶液濃度的增加而呈先減小后增大的趨勢(shì)。我們提出這種形貌的變化是由于低濃度時(shí)溶液中的Pd2+離子促進(jìn)了ZnO納米線沿[0001]晶向的生長;而當(dāng)PdCl2的濃度較高時(shí)，隨著溶液中Pd2+離子的消耗，大量Cl-離子在靜電力的作用下將與Zn2+結(jié)合，從而抑制了ZnO納米線沿軸向

6、方向的生長。氣敏測(cè)試結(jié)果表明，Pd摻雜量為0.25 at.％的氣敏元件對(duì)乙醇?xì)怏w具有最佳的氣敏性能，其在工作溫度和靈敏度（分別為325℃和8.17）方面明顯優(yōu)于純凈的ZnO納米線（分別為450℃和3.91）。
　　(3)通過表面修飾的方法制備了Pd納米顆粒負(fù)載（負(fù)載量為0、0.5、1.3和3.1 at.％）的ZnO納米線陣列。并用于對(duì)200 ppm的乙醇、丙酮、甲醇、甲烷和一氧化碳?xì)怏w的氣敏性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，Pd負(fù)載的ZnO納

7、米線陣列在一氧化碳和甲烷為干擾氣體的氣氛中對(duì)乙醇具有最佳的選擇性;當(dāng)Pd的含量為1.3 at.％時(shí)，器件對(duì)乙醇的最高靈敏度為4.23，響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間分別為9s和9s，且其檢測(cè)下限達(dá)到了1 ppm。
　　(4)為了進(jìn)一步增加材料的表面積，利用微流控技術(shù)在微通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超長（11μm，生長6h）ZnO納米線陣列的制備。分別從理論與實(shí)驗(yàn)上證明了微通道中分布不均勻的流速場(chǎng)會(huì)對(duì)ZnO納米線的生長產(chǎn)生很大影響?？傮w上是納米線在通道中部和入口處的

8、直徑較粗，而在兩個(gè)側(cè)壁和出口處的直徑較細(xì)。我們提出，這樣的形貌特性與生長液中PEI的受熱分解速度有很大關(guān)系。氣敏測(cè)試表明，這種超長的ZnO納米線陣列在475℃時(shí)對(duì)200ppm的丙酮、甲醇和乙醇?xì)怏w的最大靈敏度分別為8.26、3.58和4.09，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間分別為9s和5s、9s和10s以及7s和11s。
　　本論文通過以上四個(gè)部分的工作，較系統(tǒng)地從機(jī)理以及實(shí)驗(yàn)方面闡述了催化劑Pd對(duì)ZnO納米線陣列氣敏性能改善所起到的關(guān)鍵作用