氣敏材料的研究進(jìn)展及展望

【摘要】本文從氣敏材料的概念出發(fā)，介紹了氣敏材料的特點(diǎn)、氣敏材料目前存在的主要問題，以及未來的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】氣敏材料 ?傳感器 ?氣敏陶瓷

【基金項(xiàng)目】陜西省自然科學(xué)基金（2014JQ1022）;陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)研究計(jì)劃（11JK0555，14JK1676）;西安郵電大學(xué)青年教師基金項(xiàng)目（ZL2013-36），陜西省西安郵電大學(xué)教改項(xiàng)目（JGC201230）。

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）08-0240-01

一、引言

在當(dāng)下這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，人們?nèi)粘Ｉ钪谐霈F(xiàn)了諸多高科技新型材料，給人們的生活帶來了翻天覆地的變化。氣敏材料便是其中之一。由于氣敏材料具有廣泛的應(yīng)用前景，引起了材料科學(xué)家的關(guān)注[1-3]

氣敏材料是一種新型的功能材料，當(dāng)其接觸特定的氣體物質(zhì)時(shí)，這些材料的物理或化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生較為顯著的變化[3-7]。利用這些變化，人們可以通過這類敏感材料來檢測(cè)特定的氣體成分。氣敏材料一般為多孔材料，使得氣體極容易滲透，因此也可以用來制成測(cè)定氧分壓的傳感器。近幾年氣敏材料在傳感器上的廣泛應(yīng)用使人們逐步了解了氣敏材料的相關(guān)特性以及發(fā)展前景[3]。此外，與生物嗅覺相比，氣敏材料的檢測(cè)靈敏度非常高。

二、氣敏材料的概述

（一） 氣敏材料的定義

氣敏材料是一種新的功能材料。不同類型的氣敏材料會(huì)對(duì)某種或某幾種氣體十分敏感，表現(xiàn)出材料物理或化學(xué)屬性的顯著改變。例如，有一類氣敏材料的電阻阻值會(huì)隨著氣體的濃度呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。利用這種屬性，將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并放大，就可制成氣敏傳感器[2]。目前此類傳感器已在諸多領(lǐng)域投入使用。現(xiàn)實(shí)中的氣敏材料通常由多種組分組成，這是因?yàn)樵谘邪l(fā)該類材料的過程中，材料科學(xué)家通常會(huì)添加摻雜劑，改良其性能[8]。

（二）氣敏材料的特點(diǎn)

首先，氣敏材料會(huì)與氣體物質(zhì)發(fā)生作用，將氣敏材料放在不同的氣體環(huán)境里面會(huì)有不同的特性。其次，由于氣體極容易滲透，便于改良，透氣性很好。當(dāng)氣敏材料與被測(cè)氣體接觸后，氣體分子會(huì)逐漸聚積在氣敏材料的顯微空里，進(jìn)而導(dǎo)致氣敏材料相應(yīng)的性質(zhì)的變化[3，4]。最后，檢測(cè)靈敏度高。氣敏材料的檢測(cè)靈敏度較生物嗅覺高，被科研人員稱為“電子鼻”。

（三）氣敏材料目前存在的問題

現(xiàn)在的氣敏材料研究已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，但是推廣應(yīng)用方面還存在著諸多困難。首先，制備方法和摻雜方式的不同對(duì)氣敏材料的性質(zhì)有極大的影響。現(xiàn)在最多應(yīng)用到的是化學(xué)共沉淀和溶膠—凝膠法來制得相應(yīng)氣敏材料，并沒有針對(duì)不同的材料來選擇合適的制備方法[7] 。其次，現(xiàn)在主要研究檢測(cè)的氣體大多為還原性氣體和氧化性氣體，揮發(fā)性氣體主要是乙醇和丙酮，而對(duì)于其他的氣體，特別是一些有毒氣體，則沒有用于檢測(cè)的氣敏材料[2]。此外，一些氣敏材料在工作時(shí)溫度高，選擇性較低，如何合理地添加摻雜劑是以后應(yīng)該深入研究的課題[8]。氣敏材料的特性也有可能會(huì)受到其他因素影響，例如電極的影響，研究發(fā)現(xiàn)，Au電極納米晶氧化鋅傳感器的響應(yīng)時(shí)間、敏感性、穩(wěn)定性都要比Ag電極的納米晶氧化鋅傳感器要好。目前，氣敏材料的研究趨勢(shì)包含有：首先，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展了各種氣敏材料的氣敏機(jī)理方面的研究。其次，為了提高材料的性能以及尋找全新的材料，有了更多的交叉科學(xué)的研究。最后，更多應(yīng)用研究正逐步放眼實(shí)際生活問題，研制短、小、輕、薄的氣敏器件，以便為我們的生活提供更多的便利[1，2]。

三、氣敏材料的發(fā)展趨勢(shì)

（一） 納米氣敏材料

納米材料技術(shù)作為一門新興的學(xué)科，受到了各國(guó)科學(xué)家的熱切關(guān)注，發(fā)展異常迅速。納米技術(shù)的發(fā)展對(duì)人們生活和生產(chǎn)方式，都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。其研究成果如今已經(jīng)應(yīng)用到了我們生活中的很多方面，運(yùn)用納米科技研制出的納米氣敏器件便是其中之一。通過納米技術(shù)，可以研制出具有較大的表面積和界面的氣敏材料，改良?xì)饷舨牧媳砻娴慕榭捉Y(jié)構(gòu)，從而使其表現(xiàn)出了更好的氣敏特性。通過納米科技可以解決某些氣敏材料穩(wěn)定性差、吸附能力弱等問題，極大改善了氣敏材料的性能[5]。納米科技使氣敏材料的研究進(jìn)入了全新的時(shí)代。

（二） 氣敏陶瓷

氣敏陶瓷，是陶瓷材料的一種，一般用二氧化錫等材料經(jīng)壓制燒結(jié)而成。氣敏陶瓷又稱為氣敏半導(dǎo)體，屬于是一類對(duì)氣體敏感的半導(dǎo)體材料[4，6]。對(duì)氣敏陶瓷的研究始于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)Cu2O的電導(dǎo)率隨水蒸氣吸附而改變的現(xiàn)象。日、美等國(guó)首先對(duì)SnO2、ZnO半導(dǎo)體陶瓷氣敏元件進(jìn)行實(shí)用性研究，在薄膜氣敏材料方面取得了突破。而過去的10余年，由于薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的革新，以及現(xiàn)代社會(huì)對(duì)易燃、易爆、有毒氣體的檢測(cè)、控制提出了越來越高的要求，促進(jìn)了各種氣敏陶瓷的發(fā)展[2，6]。

（三）展望

可以推測(cè)，氣敏材料未來的發(fā)展將主要是與納米科技相結(jié)合，應(yīng)用納米技術(shù)研發(fā)性能更為優(yōu)良的氣敏材料。氣敏材料有著廣闊的應(yīng)用前景，如有毒氣體的檢測(cè)等等?？焖贉?zhǔn)確的檢測(cè)有毒、有害氣體可以有效保護(hù)大家的生命財(cái)產(chǎn)安全，但是如何研制可用于不同有毒氣體檢測(cè)的氣敏材料將是復(fù)雜而艱巨的問題。其次，納米氣敏材料的應(yīng)用已擴(kuò)展到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，作為控制應(yīng)用也是一個(gè)很重要發(fā)展方面。例如自動(dòng)空氣潔凈機(jī)，可以有效控制受污染的氣體流動(dòng)至我們的生活空間;烘烤機(jī)，根據(jù)氣體的溫度等有效控制電源，以防止食物被烤焦。

此外，全球環(huán)境污染的問題也促進(jìn)了氣敏材料的發(fā)展，為人們有一個(gè)健康舒適的生活環(huán)境，檢測(cè)空氣污染就顯得尤其重要，尋找到可量產(chǎn)的針對(duì)大氣污染物的氣敏材料也就顯得十分重要，這也成為了氣敏材料科學(xué)研究的新熱點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

邱海波（1982-），男，山東人，博士，講師，主要從事凝聚態(tài)物理的研究。