在气敏传感器的研究中,焦点集中在发展新型气敏材料,以提高传感器灵敏度、选择性和稳定性、以及发展先进的制造技术以降低其成本,同时确保其可靠性、安全性和重复性等。由于缺乏普遍适用的气敏机理模拟机制,目前气敏材料的研发仍需要进行大量反复的尝试实验。因此,如何有效准确地选取掺杂物以及分析掺杂物如何影响气敏性能是在气敏机理的研究中的两个重要课题。而本论文的主要目的就是建立完整的气敏机理模型,为进一步开发新型气敏材料提供理论指导,并对气敏测试中的各种实验结果提供理论解释。本文选取的气敏材料研究体系是SnO₂/TiO₂,作为重要的半导体功能材料,SnO₂-TiO₂复合氧化物体系一直是国内外研究热点。对于气敏机理的研究,可将其作为n型半导体氧化物的代表,建立较为完整的气敏机理模拟机制。本文首先制备出纳米TiO₂/Sn、SnO₂/Ti以及Ti-Sn-O₂粉体材料,测试材料在不同气体环境下的气敏性能,并基于第一性原理对气敏材料表面原子结构及其气体吸附性能进行理论计算,分别建立了锐钛矿TiO₂体系、金红石SnO₂体系以及Ti-Sn-O₂固溶体体系的气敏机理模拟机制,揭示SnO₂、TiO₂传感效应的本质。从原子结构及电子性能等角度分析了实验现象,验证了吸附模型解释气敏机理的可行性。主要结果如下:①掺杂Sn摩尔百分比为1%⁵%后的TiO₂粒子形貌与未掺杂的TiO₂基本一致,粒子大小也大致相同,并保持了锐钛矿型结构。气敏测试结果表明:掺杂Sn可明显降低TiO₂的工作温度,同时也提高了TiO₂对甲醇,乙醇等四种还原性气体的灵敏度,并改善了TiO₂对气体浓度的线性响应。根据表面吸附模型,建立了锐钛矿TiO₂的气敏模拟机制。对于纯锐钛矿TiO₂的（101）表面,吸附氧主要发生在Ti_5C位置上,吸附能较小,吸附氧后表面电子结构基本不变,表明氧与纯TiO₂表面作用较弱。（101）缺陷面结构主要是形成于内层的氧空位,而内层氧空位的形成对（101）面氧吸附性能影响较小,缺陷（101）面主要吸附位置为Ti_5C,即锐钛矿缺陷（101）面与完整（101）面具有相同的气敏吸附机制。掺杂Sn后的TiO₂表面氧吸附能增大,当氧吸附于取代Ti后的Sn_5C时,表面电子结构发生明显改变,价带顶产生了受主能级。与自由态的氧相比,吸附于掺杂表面的氧电子态密度也发生了明显改变,费米能处电子峰发生了展宽和劈裂,此外表面与吸附氧之间的电荷转移也明显增多,使得掺杂Sn后的TiO₂气敏性能有所提高。根据实验现象,说明我们建立的吸附模型用于解释锐钛矿TiO₂的气敏机理是可行的。②掺杂Ti摩尔百分比为1%⁵%后的SnO₂保持了未掺杂前相似的微观形貌及粒子分散性等,掺杂前后的SnO₂都为金红石型结构。在微观形貌未有明显改变的情况下,Ti的掺杂明显提高了SnO₂的灵敏度。此外,金红石型SnO₂的气敏性能明显优于未掺杂及掺杂Sn后的锐钛矿TiO₂粉体材料。金红石SnO₂表面的氧吸附作用主要发生于（110）缺陷面,而此缺陷结构主要来自于表层O₂C空位的形成。含有表层O₂C空位的（110）面具有较好的氧吸附性能,吸附能较大,表面拥有更多的吸附活性点。因此,表层氧空位的形成,是金红石型SnO₂比锐钛矿型TiO₂具有更为优异气敏性能的重要原因。根据原子结构特征及空位形成能的计算结果,Ti掺杂后的SnO₂表面更易形成O₂C空位,而且可使表面氧吸附能提高,表面与吸附氧之间的电荷转移也明显增多,因此掺杂Ti后的SnO₂的气体灵敏度明显提高。③对Sn/Ti=1/1的SnO₂-TiO₂复合材料研究发现:由于烧结温度的不同,TiO₂与SnO₂复合方式也不同,从而导致样品不同的气敏性能。经650℃烧结后的样品主要以金红石SnO₂与锐钛矿型TiO₂晶粒紧密相连组成颗粒,部分Sn与Ti离子发生替代。气敏效果主要是金红石SnO₂起主导作用,以及部分的Ti离子取代Sn所致。经过1050℃烧结后的SnO₂-TiO₂复合方式主要是固溶,虽然该固溶体保持了金红石型结构,但是由于Sn/Ti比例相当,使得该金红石型晶体晶格发生了改变,进而影响其气敏性能。固溶体表面保持了金红石型（110）面的原子结构特征,表层O₂C空位为（110）面最易形成的缺陷,这是SnO₂与TiO₂以Sn/Ti=1/1的浓度固溶后仍然保持相对较好的气敏性能的主要原因。另一方面,与纯SnO₂ （110）面松弛后的结构相比,键长变化程度增加,特别是连接表层O₂C的6配位原子(Sn_6C、Ti_6C等)键作用力大于在纯SnO₂表面时的作用力,即相对于纯SnO₂表面,固溶体表面不易形成O₂C氧空位。与SnO₂的（110）表面氧吸附性质类似,在固溶体的完整（110）表面,氧吸附能力较差。氧吸附作用主要是由表层氧空位的形成而产生。对于Ti_0.5Sn_0.5O₂气敏性能下降的原因,主要由于Ti与Sn进行高浓度固溶后,抑制了表层氧空位的形成,使得表面氧空位浓度相对降低,导致气敏性能下降。本课题建立了锐钛矿TiO₂体系、金红石SnO₂体系以及Ti-Sn-O₂固溶体体系的气敏机理模拟机制,理论解释了气敏测试中的实验现象,可为进一步开发半导体金属氧化物气敏材料提供理论指导。