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1导言

气体传感器在我们日常生活中的一些重要的技术中起着至关重要的作用。气体传感器的典型应用包括有毒分析物的检测和公众用爆炸性气体以及国内安全、工业过程，环境污染和空气质量监测。在各种各样的气体传感器的类型，电阻式气体传感器最具吸引力，因为制造简单，操作简单，成本低生产成本和小型化。气体传感器在概念上本质上是简单的，所以在研究和开发活动的基础上取得了进展是正常的。典型的电阻气体传感器包含一个主动传感层，其导电性对周围环境高度敏感。第一个商用气体传感器装置是20世纪60年代利用金属氧化物开发的作为传感层。从那时起，世界范围内对这依次展开研究，以便提高传感器的灵敏度、选择性、速度（响应和恢复率）和稳定性，即“4S”。气体传感器的研究与发展在新兴的纳米科学和纳米技术的推动下，取得了显著的进步。

小尺寸纳米结构材料量身定制的结构显示出巨大的潜力用作传感层。使用纳米结构的优点是增大气体传感材料的比表面积，拥有高特定表面积，有更多表面活性部位，以及最近公认的高表面反应性。气体分子之间的相互作用材料主要发生在表面，因此位于材料表面的原子数量对于控制传感器性能。与非纳米结构材料相比，纳米结构材料的表面原子比体原子的面积大得多。因此，基于纳米结构材料具有较好的性能。这个使用纳米材料进行气体传感的优势在一些评论中讨论过。

传感器灵敏度（s，定义为ra/rg或rg/ra，其中ra和rg是空气和气体中的电阻）可以高度依赖于金属氧化物纳米粒子的粒径（d），其尺寸相当于2L（L是电子损耗的厚度层）。当d远大于2L时，只有晶界会形成电子耗尽层，这意味着表面传感效果不影响传感器电阻。对于dle;2L，指晶粒或整体的主要部分晶粒耗尽了电子。在这种情况下，传感器电阻对传感效果非常敏感，因此使传感器灵敏度高度依赖于粒度。金属氧化物半导体的尺寸、微观结构特征，如形态和多孔性也有显著的变化。影响传感器灵敏度和速度-在某些晶体面上有效的原子排列，增加在表面积和改进的气体扩散。气体传感器需要在高精度和选择性的情况下工作。以满足多用途应用需求的方式。到目前为止，一些策略包括表面功能化设计异质结构制造纳米复合材料已开发出来，以提高给定气体的传感器选择性。

目前传感器研究领域的一个主要目标是开发高性能和可靠的气体传感器，让其在室温下或接近室温时工作。对这个话题有研究兴趣的人在过去不断增加和发展十年。除了电导传感器，一些新的传感器技术开发用于室温传感。例如，光学传感器虽然不如电导传感器成熟，对室温监测有吸引力。他们有一些独特的优势，如更大范围的要分析的参数（光强、偏振、波长调制等的变化），以提高选择性，在光纤技术中易于实现，允许为了更好的信号传输和现场监测，以及利用表面等离子体增强局部磁场的共振以提高传感性能。利用导电率相对较高的导体也会吸引人去研究在室温内操作的电化学传感器温度。这些材料，如磷酸锆，已经使用了抗Monic酸和Nafion膜。以厚膜或薄膜的形式。但主要问题是对于这些导体，周围大气中的湿度会影响导电率，从而影响传感特性。其他传感平台包括表面声波（SAW）和石英晶体微量天平（QCM）。

基于金属氧化物半导体的传统气体传感器的工作温度通常为150-400℃。然而，由于金属氧化物的热致生长，高温操作会降低传感器的稳定性和寿命。此外，当检测到可燃物或爆炸性分析物，限制了其广泛应用。此外，高工作温度导致高功耗，这是新一代电池加载的无线传感器，传感器寿命问题这件事很重要。第一个无线传感器瞄准了早期的有害气体检测采用传感器消耗电流高达800毫安，因此寿命较低。尽管市场上现有的一些实际商用现货系统的寿命周期较长，但仍然很低耗电量和瞬时暖机，增长对可集成到电池中的新传感器的需求，使用能量收集技术或自行供电无线系统，允许经济的实时监控，小型化和改进的集成以创建智能设备需要进一步的研究和新的传感器概念。

室温气体传感器也使简化制造技术和降低制造成本成为可能。因为制造气体不一定需要加热元件传感器。此外，电阻式气体传感器只需要少量（毫克级）活性物质，即为什么实验室规模的生产对此感兴趣趣而且可能具有成本效益。

具有特殊结构优点的纳米材料，纳米尺度的尺寸和显著性能尺寸可以很好地应用于室温传感层。研究表明各种材料对室温气体传感器具有吸引力。这些材料通常包括但不限于单一元素、金属氧化物、有机物半导体和碳纳米结构。气敏根据传感器的不同，机制可能会有很大的不同。要检测的材料和气体。金属氧化物半导体，如n型氧化锡（SnO₂）和氧化锌（ZnO）共享一个涉及表面的通用传感机制分析物分子与化学吸附氧的反应种。暴露在乙醇等还原性气体中会导致n型半导体和p型材料减少，而氧化作用气体是反的。机制变得更加复杂当纯金属氧化物纳米结构进一步与第二相（如贵金属纳米颗粒）功能化时。贵金属的电子或化学敏化作用。可用于提高传感器性能；从而传感器对给定气体的灵敏度或选择性可以显著提高。例如，钯（Pd）纳米材料拥有非常独特的氢传感机制（H₂）。H₂在Pd上的吸附导致了pdh_x的电导率较低。此外,与氢化物形成有关的体积膨胀，使用pd实现非常快速和高度选择性的H₂检测。有机半导体例如，具有典型pi;共轭结构的导电聚合物具有独特的掺杂/去掺杂机制。例如，有机聚苯胺中的载流子浓度氨水（NH₃）可以降低或增加纳米纤维。二氧化氮（NO₂）。碳纳米管（CNT）和石墨烯已被证明能在低浓度下以极高的灵敏度和较低的检测限检测NH₃和NO₂分子的温度。它们的传感机制依赖于碳结构和气体分子之间的电子转移。CNT和石墨烯也是通过化学功能化制造纳米复合传感器材料的非常有吸引力的基底，提供了更多优化的机会和改善传感器选择性。有关室温传感器的其他详细信息将在各种材料的传感机制中做说明。

表面改性、加工等有效策略混合或复合纳米结构和光照明的利用也被发展到创造室温传感。具有增强性能的传感器设备。尽管在过去几十年的进展中见证了室温气体传感器的重要性但对此快速发展的全面回顾的主题仍然缺失。许多现有版本综述和书籍章节总结气体传感器的工作原理、合成方法、各种材料结构以及检测各种分析物的应用。本文不打算重复讨论在这些方面，它的目的是总结与室温传感相关的最有意义的进展以及各种纳米结构，突出了特殊的传感机制，并试图解决结构-性能相关性。最后，本出版物将特别关注薄或厚的胶片。基于纳米结构材料的电阻式传感器通过简单、高效和低成本的程序制造，如滴涂或丝网印刷。例如，使用特殊技术制造的单纳米线传感器装置的报告如MEMS或光刻将不在这里讨论。

2气体传感材料

2.1单元素材料

与主要的金属氧化物气体传感材料相比对于化学气体传感器，单元素材料的研究并没有那么广泛。这是由于特殊的传感机构在对某些特定的气体。虽然不受欢迎，但仍有一些相关报道以单一元素材料作为气体传感器的活性相，对特定的气体分析物具有特殊的选择性。在本节中，我们将总结表1中总结的单元素传感材料的一些进展，以及它们的传感机理。

2.1.1钯和钯基合金

钯是一种理想的检测传感器材料。室温下的氢（H₂）。第一份报告是休斯和舒伯特的作品钯镍合金（厚度50纳米），将其暴露于H₂后，其电阻增大了。感测机理是基于在吸收H₂时由于形成PDHx而增加的电阻，即电阻其中与x成正比，饱和值为0.67。

由于尺寸减小，比表面积增大，钯纳米结构材料显示出这样的优势灵敏度和选择性越高，响应越快。与大容量或薄型薄膜对应物相比的功耗。例如，Yu和同事演示了基于pd纳米管（图1 a）的H₂传感器通过一步直接化学沉积，显示出更高的比基于局部放电的灵敏度和更快的响应时间，室温下，钯纳米管壁厚约50纳米，微晶尺寸为22-42纳米，而pd纳米管则由10纳米以下尺寸的颗粒组成。纳米管传感器显示快速响应和恢复特性。作者结果表明，纳米管传感器的响应时间为1个数量级，低于常规薄型F.L.此外，纳米管传感器的灵敏度比薄膜高很多。

H₂在Pd上的吸附导致了PdHx的形成。不仅增加了阻力，而且导致了pd体积扩展。Favier、Penner和同事报道由电沉积制备的基于钯中间丝阵列（PMA）的H₂传感器和H₂激活开关（图2A）。这些传感器由多达100 Pd的中间导线组成平行，能够在75 ms内对浓度为5%H₂作出响应，电阻降低与2-10%的H 2浓度相关。观察到的电阻下降与传统报道的相反。H₂的pd传感器电阻增大。超高速响应是由于纳米级间隙闭合或“断裂”引起的。钯颗粒膨胀引起的导线中的“接头”正在进行氢吸收。暴露于H ₂后，暴露于空气中可逆转该过程并打开纳米显微镜。传感器中某些或所有细导线的间隙。这种断裂连接机制得到原子力显微镜的支持。（afm）单个pd中间丝的观察结果。图2d所示的钯中间丝中的纳米间隙或者在工作气体切换时关闭并重新打开从空气到氢气再回到空气中。详细检查AFM数据显示，多个颗粒在一个影响纳米间隙打开和关闭的方式。例如，对于图2h所示的中间丝，三个断裂连接处左侧的颗粒向右移动约50纳米关闭间隙。间隙右侧的两个颗粒保持静止（“固定”）。

尽管断开连接机制能够实现一个超快的H₂传感器，但使用该程序制备H₂传感器的总体成功率仅略高于50%。此外，这种传感器不能检测低于1%的H₂浓度，这是一个阈值（1-2%），以触发钯氢化物（PDHx）从alpha;相转变为beta;相。在随后的一项工作中，Penner及其同事进一步证明了粒径为5nm的钯纳米线，H₂暴露引起的晶粒断裂后，H₂浓度低于1%时无检测到反应，而pd粒径为15纳米的纳米线,将其暴露在H₂下时，其电阻迅速增加，，可逆地检测到2ppm的H₂。具有良好的重现性和室温下的稳定性。

在Favier和Penner的工作之后， Dasar和Zamborini随后演示了H₂传感器的制造和在微间隙电极上结合钯电沉积和苯酚电聚合进行开关。H₂传感器可以用作室温传感装置且H₂浓度范围为0.11%至9.6%，平均基于电阻的20-60s响应和恢复时间增加PDHx的作用机制。H₂传感器的重复性成功率为100%。H₂开关跟随体积膨胀导致的断开连接机构只能对1.0%以上的H₂浓度敏感，而成功率低于100%。在另一部作品中，徐同事们报道了一种超薄的Pd纳米团簇。自组装硅氧烷沉积厚度3.3nm单层覆盖玻璃能快速检测2% H₂室温下的响应时间为68 ms，并且传感器响应行为具有高度可重复性。值得一提的是，这种超薄的Pd纳米团簇在断裂连接机制（暴露时电导增加至H₂），但其检测限为25 ppm，这克服了上述PD传感器的阈值（1–2%）基于断接机构。最近，费维尔和同事们成功地证明了H₂传感器基于有序钯纳米点。传感器能够检测0.1%到100%之间的全浓度检测限为0.1%。传感机理还基于钯的晶格膨胀对H₂的吸附作用，由断接机理起作用。法维耶而同事们也显示了PD的上限（10%）。中间丝可以通过合金化进一步扩展到100%Ag银引起的钯中H₂溶解度增加，从而扩大了检测范围。此外，独特的断开连接机制使pd中间丝传感器H₂对O₂、CO和CH ₄的高选择性。基于纳米镜可逆关闭和打开的概念间隙对于设计其他选择性气体传感器是有用的。

2.1.2硅基材料

硅（Si）是一种非常重要的半导体，被广泛应用。在电子工业中。在光电子学、可再生能源、锂离子电池、生物学等基础研究领域也有着广阔的前景。Han等人成功地使用了多孔硅（PS）。用于气体传感器检测乙醇。纳米硅（如硅纳米线）对溶液中的生物和化学物质具有显著的传感性能。Peng等人报道基于多孔硅纳米线的气体传感器通过金属辅助化学蚀刻方法制备。这个传感器显示对气态氧化亚氮（NO）室温下的灵敏度。特别是由多孔硅制成的传感器纳米线具有快速响应和良好的可逆性。ppb无浓度水平和快速反应恢复到较高的NO浓度。传感器的传感机理是由于多孔硅纳米线在无吸收时的电荷密度。一氧化氮分子的强电子给予性质导致电子载流子数量增加，因此多孔硅纳米线的电导提高。

2.1.3.碲基材料

碲（Te）是另一种可以用作在室温下工作的气体传感器中的活性元素。碲

可检测多种气体，包括NH ₃，H ₂S，CO和NO₂。在早期报告中，基于TE的薄型膜通过热蒸发或射频溅射制造研究室温气体传感器。例如，Tsiulyanu及其同事报告对室温下的NO₂A具有高度敏感性。Te多晶的粒径约为1微米。其电阻在含有NO₂的情况下降低，并在约1 ppm的浓度下达到饱和，表明窄浓度范围内的可操作性。减少由于p型Te半导体中的空穴载流子浓度增加，传感器的电阻分子的吸电子性质。传感器的响应和恢复时间约为2-3分钟。其他研究人员的30-40分钟的努力表明Te传感器对NO₂的响应也强烈依赖于在支架上，退火后温度和薄膜厚度。如图5b所示，基于Te的传感器厚度为300nm时，响应比100纳米厚度强烈。此外，图5b还表明沉积在玻璃基板上的Te比沉积在氧化铝上时通常更敏感。无论厚度如何，玻璃基板上的Te-也显示出良好的响应性。连续增加NO₂浓度，但响应和恢复时间仍在几分钟的范围内。然而，不同的传感性能的原因是不太清楚的，但

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资料编号：[2640]