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當(dāng)前,研究人員對(duì)于氣體傳感器的研究重點(diǎn)主要包括氣敏材料的研發(fā)、傳感機(jī)理的探索、傳導(dǎo)電信號(hào)的器件設(shè)計(jì)以及氣敏性能測(cè)試技術(shù)的改進(jìn)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(kāi)發(fā)尤為關(guān)鍵。

20世紀(jì)初,人們開(kāi)始探究半導(dǎo)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(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)性能,在空氣中可以對(duì)氧氣、一氧化碳等氣體產(chǎn)生敏感響應(yīng)。隨著對(duì)氣敏傳感器的需求增加,研究人員開(kāi)始探索新型的氣敏材料。除了金屬氧化物之外,還有半導(dǎo)體材料、金屬-有機(jī)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(xué)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(guò)表面改性來(lái)優(yōu)化材料的物理和化學(xué)性能。等離子體處理是一種通過(guò)高能電子、離子、激發(fā)態(tài)分子等對(duì)材料表面進(jìn)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(fù)合材料的增強(qiáng)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(fù)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(chēng)為高溫等離子體,兩者不相等則稱(chēng)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(fù)雜的物理化學(xué)變化,快速地使材料表面產(chǎn)生缺陷或引入摻雜,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面改性的一種手段。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它不僅可以避免高溫和長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng),還不會(huì)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(guò)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(jìn)而提高氣敏傳感器的響應(yīng)性能。此技術(shù)不僅能增強(qiáng)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(jìn)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(dāng)前研究的一個(gè)重要方向。

在氧等離子體處理過(guò)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(shí),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?？梢栽黾硬牧系膶?dǎo)電性,因?yàn)檠蹩瘴皇沟貌牧现械碾娮訚舛仍黾印?duì)于金屬氧化物氣敏材料來(lái)說(shuō),氧空位的數(shù)量直接影響其氣敏性,氧空位越多,材料對(duì)氣體的敏感度通常越高。此外,氧等離子體處理是低溫過(guò)程,不會(huì)對(duì)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。