巢湖学院申报专业技术职务人员综述报告题目:纳米ZnO材料在气体传感器中的应用综述申报者姓名吕家云所属学科应用电子技术申报职务教授纳米ZnO材料在气体传感器中的应用综述巢湖学院物电系吕家云[内容提要]综述报告共分两部分：一、近年来国际上在传感器技术和纳米材料方向的研究热点、各种方法进行了全面的梳理。

二、近几年本人将石英晶体微天平传感器与纳米氧化锌材料相结合在湿度检测方面进行研究及所取得的成果。

1前言传感器技术是一项当今世界迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术一起构成信息产业的三大支柱。

“没有传感技术就没有现代科学技术”的观点现在已为全世界所公认。

科学技术越发达，自动化技术越高，对传感器依赖性就越大。

所以，国内外都普遍重视和投入开发各类传感器以及传感技术。

而传感器技术又是与各个学科的发展有着密不可分的联系。

传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术和密集型前沿技术。

无论从宇宙探索、海洋开发，到国防建设，工农业生产;从环境保护、灾情预报，还是到包括生命科学在内的每一项现代科学研究;无论从生产过程的检测与控制，还是到人民群众的日常生活等等，都离不开传感器和传感技术。

由此可见，应用、研究和发展传感器与传感技术是信息化时代的必要要求[1]。

随着现代科学技术的长足进步，人们己不满足于现有空间和时间上的活动范围，正向着无限、极端和全新的领域奋进。

新材料、新能源的不断涌现，微电子、空间技术、海洋资源、生物遗传、纳米技术等关键工程的开发，必须开拓各种能够感知、获取、检测和转换信息的传感器新领域。

当前，传感器技术的发展方向是: 第一，开展基础研究，发现新现象、采用新原理、开发新材料和采用新工艺; 第二，扩大传感器的功能与应用范围。

2 纳米技术所谓“纳米”，是一种几何尺寸的量度单位，同我们常用的“米”一样，只不过它仅为一米的十亿分之一，约等于45个原子排列起来的长度。

纳米科学与工程是一个新兴的跨学科领域，学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等，有着十分宽广的学科领域。

是当前国际科技热点之一。

国际上在纳米技术领域的竞争态势日益明显，发达国家无一不在瞄准和抓住这一可能给科技和经济带来突破性的、跨越式发展的新机遇，对纳米技术的研发大量投入，以期抢占前沿阵地的制高点，争取极大的潜在利益，美国、日本、德国、英国、瑞典、瑞士和欧盟都建立了或正在建立纳米技术中心。

钱学森为此指出，纳米科技将是一次革命，将是21世纪的一次产业革命。

我国要在这场革命中取得胜利，有必要很好地找出问题并加以解决。

纳米技术能够为信息和生物科学技术，进一步发展提供基础的材料，所以纳米材料技术的意义己远远超过了电子信息技术和生物科学技术. 纳米技术是研究尺寸在0.1—100nm 的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，例如纳米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜等，而且为传感器制作提供了许多新型的方法[25]-。

3.纳米材料的分类广义地说:纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。

如果按维数，纳米材料的基本单元可分为三类: （1）零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。

（2）一维，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米四、纳米管、纳米棒等。

（3）二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。

因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分别有量子点，量子线，量子阱之称。

由这些纳米尺度的基本单元构成纳米材料有多种方式，由此可形成多种类型的纳米材料: 纳米粉体材料是由纳米粒子构成的松散集合体;纳米粉体经过一定的压制工艺制成的具有高致密度的材料则为纳米块体材料，如纳米陶瓷、纳米金属和合金等;将纳米粒子制成薄膜或将纳米粒子分散到其他的薄膜(如有机膜)中，进而形成的多层膜则为纳米薄膜材料;将那米粒子分散到高分子、常规陶瓷或金属中，则又可以获得纳米复合材料[69]-。

4．纳米传感器与传统的传感器相比，纳米传感器不仅具有尺寸减小、精度提高等性能，更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。

纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等方面获得广泛的发展。

近几年来，作者除了完成正常的教学外，重点对石英晶体微天平传感器与纳米氧化锌结合进行湿度测量的研究并发表了数篇相关科研论文。

现结合作者的研究方向、前期研究成果就石英晶体微天平传感器、纳米氧化锌进行湿度测量两方面问题展开综述。

5 纳米氧化锌进行湿度测量（1）纳米氧化锌的性质纳米氧化锌是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品,其粒径介于1~100nm,由于具有纳米材料的结构特点和性质,使得纳米氧化锌产生了表面效应及体积效应等,从而使其在磁、光、电、敏感性等方面具有一般氧化锌产品无法比拟的特殊性能和新用途。

（2）体积效应当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化剂及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化,这就是纳米粒子的体积效应。

纳米氧化锌是橡胶工业最有效的无机活性剂和硫化促进剂，纳米氧化锌具有颗粒微小,比表面积大,分散性好,疏。

松多孔,流动性好等物理化学特性[1012]6 纳米气敏传感器的研究现状随着工业生产和环境检测的迫切需要，纳米气敏传感器已获得长足的进展。

用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。

这是因为纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点：一是纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；二是工作温度大大降低；三是大大缩小了传感器的尺寸。

（1）基于金属氧化物半导体纳米颗粒的纳米气敏传感器在气敏传感器的研究中，主要方向之一是在气体环境中依靠敏感材料（例如金属氧化物半导体气敏材料以SnO2、ZnO、TiO2、Fe2O3为代表）的电导发生变化来制作气敏传感器。

（2）用单壁碳纳米管制作气敏传感器碳纳米管具有一定的吸附特性，由于吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用，改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变，通过检测其电阻变化来检测气体成分，因此单壁碳纳米管可用作气敏传感器。

（3）用多壁碳纳米管制作气敏传感器O．K．Varghese等人研究了用多壁碳纳米管制作传感器。

他们设计了两种传感器形式。

一种是在平面叉指型电容器上覆盖一层MWNT-SiO2薄膜的结构，称其为电容式传感器，另外一种MWNT 弯曲电阻式，是用光刻的办法在Si衬底上刻一条弯曲的SiO2槽，然后在SiO2 上生长MWNT称为电阻式传感器。

两种传感器证明MWNT是有效的湿敏材料是有效的湿敏材料，响应时间2-3min，但传感器需要几个小时才能恢复。

（4）石英振子式气体传感器气敏材料吸附气体时,材料的重量发生变化,由于涂敷在石英振子上材料重量的变化,引起石英振子的共振频率变化,通过测量共振频率来测量气体浓度。

主要材料纳米ZnO、用六甲基二硅胺烷(Hexamethyl disilazane，HMDS)等材料,用来测量空气湿度[13]。

7 纳米氧化锌与石英晶体微天平结合的传感器1880年Jacqcues Pierre和Currce兄弟发现了石英等晶体具有电压现象，即在其表面上施加一定的压力，就会在晶体两表面间产生电压，电压值的大小与压力成正比——电压效应，其产生是由于这些晶体在结构上是无中心的，即非中心对称的空间群物质，当有外力作用时而发生形变，晶体内部原子发生位移产生极化现象，同时使晶体表面产生电荷，从而将机械能转化为电能。

1881年他们又证实了逆电效应的存在，即当在晶体两端加上电场时，无中心物质的偶极子将会重新定位，引起原子位移，产生机械形变，从而由电能转化为机械能。

当加在晶体上的电压为交变电压时，晶体就会产生机械振动，同时机械振动又会产生交变电场，一般情况下，逆压电产生的机械振动及交变电场的振幅很小，只有在谐振频率下，才会急剧增大，因此通常将谐振频率作为信号测定的对象。

QCM就是利用逆电压效应作为基本原理建立起来的。

它的压电材料选用具有性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能相当好等突出优点的石英晶体制成，在QCM中，石英振荡晶片是核心，一般采用沿与石英晶体主光轴成'3515︒角切割所的的晶片，采用这种切割方式所的的晶体频率上限较高（1~20MHZ ）且室温下其温度示数接近于零，减少了温度对于频率的影响。

当外物均匀地附着在晶体表面时，如果在有效面积上的质量为m ∆，引起的频率变化为f ∆,则有602.610/.f f m A ∆=-⨯∆这就是Sauebrey 方程。

显然石英晶体谐振频率的变化与晶体表面附注层质量变化为一线性变化关系，式中负号表明频率的上升（下降）会引起质量的减少（增加）这是利用石英晶体微天平进行定量测量的基础。

但上述方程的成立必须满足下列条件：（1）附着层为刚性沉积且厚度均匀分布；（2）f ∆＜10%；（3）溶剂的粘弹性不变。

石英晶体微量天平（QCM ）是一种质量敏感元件，对质量的变化可达到纳克级（g 910-）质量检测精度。

它的作用原理是建立在石英晶体表面上的敏感涂层对气氛的吸附和解吸附效应基础上的，因此，涂层敏感材料的选择成为制作这类传感器的一个要点。

氧化锌是一种II-VI 族半导体，由于它独特的电学和化学特性，在气体探测领域有着广泛的应用。

最近一维纳米氧化锌如纳米线、纳米棒、纳米带、纳米四角结构受到人们的关注。

因为材料的维数对材料的的表面积与体积的比及材料的性能有很大影响。

研究发现纳米级氧化锌有很大的比表面积，用氧化锌作敏感膜，有利于增大吸附面积，提高传感器的灵敏度[1416]-。

本人在华东师范大学访学期间，参加了华东师范大学的国家重点实验室开放课题“纳米材料在气体传感器中的应用研究”。

结合实验发表《HMDS 改性后的纳米氧化锌的湿度响应特性研究 》 压电与声光 2008.2 170-172 （EI ）、《涂敷ZnO 纳米线的石英晶体微天平的湿度敏感特性研究》 功能材料与器件学报 2008.3 645-650 《 运用QCM 分析ZnO 纳米线在湿度检测中的响应》 压电与声光2008.5 631-633 （EI ）《用QCM 研究湿度特性的测试系统及纳米ZnO 的制备》 仪表技术与传感器 2009.4等研究论文。