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當前,研究人員對于氣體傳感器的研究重點主要包括氣敏材料的研發(fā)、傳感機理的探索、傳導電信號的器件設(shè)計以及氣敏性能測試技術(shù)的改進等等。在這些方面,作為氣體傳感器研究核心內(nèi)容的氣敏材料的開發(fā)尤為關(guān)鍵。

20世紀初,人們開始探究半導體材料的氣敏性能。最早的氣敏材料主要是金屬氧化物,如氧化鋅(ZnO)、二氧化錫(SnO2)等。這些材料具有良好的化學穩(wěn)定性和電學性能,在空氣中可以對氧氣、一氧化碳等氣體產(chǎn)生敏感響應(yīng)。隨著對氣敏傳感器的需求增加,研究人員開始探索新型的氣敏材料。除了金屬氧化物之外,還有半導體材料、金屬-有機骨架(MOFs)、碳基材料等材料被引入氣敏傳感器領(lǐng)域。這些新型材料具有更高的靈敏度、更好的選擇性和更廣泛的應(yīng)用范圍。

氣敏材料的特性與表面化學組成、相結(jié)構(gòu)、顯微組織和應(yīng)力狀態(tài)有著極為密切的關(guān)系?因此可以通過表面改性來優(yōu)化材料的物理和化學性能。等離子體處理是一種通過高能電子、離子、激發(fā)態(tài)分子等對材料表面進行處理的方法,廣泛應(yīng)用于氣敏材料的表面改性、功能化以及復合材料的增強等方面。

等離子體處理技術(shù)

等離子體是物質(zhì)三種形態(tài)固體、氣體和液體之外的第四種形態(tài),它由原子、分子、離子和帶正電荷和負電荷的自由基組成。根據(jù)粒子溫度可以將等離子體分為高溫和低溫等離子體,電子溫度和離子溫度相等稱為高溫等離子體,兩者不相等則稱低溫等離子體。等離子體處理技術(shù)是利用所含有的粒子與材料相反應(yīng),使其表面發(fā)生復雜的物理化學變化,快速地使材料表面產(chǎn)生缺陷或引入摻雜,從而實現(xiàn)對材料表面改性的一種手段。該技術(shù)的優(yōu)勢在于它不僅可以避免高溫和長時間的反應(yīng),還不會破壞材料本身的納米結(jié)構(gòu)。因此,等離子體處理在不同領(lǐng)域的材料合成和表面改性方面有著廣泛的應(yīng)用。

通過等離子體處理,可以激活或功能化氣敏材料的表面,改善其與氣體分子的相互作用,進而提高氣敏傳感器的響應(yīng)性能。此技術(shù)不僅能增強材料的表面活性,還能精確調(diào)控其孔隙結(jié)構(gòu)以及表面親水性或疏水性等關(guān)鍵特性,從而進一步優(yōu)化傳感器的選擇性和穩(wěn)定性。因此,等離子體技術(shù)在氣敏傳感器中的應(yīng)用已成為當前研究的一個重要方向。

在氧等離子體處理過程中,氧氣分子被電離為氧離子、氧自由基等活性物質(zhì),這些活性氧種與氣敏材料表面反應(yīng)時,能夠部分去除表面的氧原子,形成氧空位。氧空位是一種缺乏氧原子的晶格缺陷,通常可以增加材料的導電性,因為氧空位使得材料中的電子濃度增加。對于金屬氧化物氣敏材料來說,氧空位的數(shù)量直接影響其氣敏性,氧空位越多,材料對氣體的敏感度通常越高。此外,氧等離子體處理是低溫過程,不會對材料產(chǎn)生熱損傷,特別適用于溫度敏感的氣敏材料(如納米材料、薄膜材料等)。這種溫和的改性方式避免了高溫可能引起的材料性能變化或結(jié)構(gòu)破壞。