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作为传感器领域中的一个重要分支,气体传感器在人们的生产和生活中扮演着极其重要的角色,研制高性能气体传感器具有重要的科学和实际意义。传感材料的种类和形貌直接决定了气体传感器的灵敏度、选择性以及稳定性等重要参数。有机半导体是一类具有共轭分子结构的化合物,它的电导率可以通过氧化/还原、掺杂/脱掺杂以及化学修饰等过程在大范围内实现调控,是构筑气体传感器的理想材料。本论文以有机半导体纳米结构为传感材料,构筑了一系列用于检测不同气体的高性能气体传感器。主要内容如下: 1.针对传感器性能静态测试系统配气误差较大、无法真实反映传感器动态性能参数等缺点,自行设计了一套动态性能测试平台,该平台由配气系统、测试腔体以及电学测试系统三部分组成。配气系统采用动态配气方式,通过三个流量计分别控制被测气体与载气的流量,使目标气体的浓度在大范围内连续精确可调;同时在配气系统中加入了鼓泡装置以实现对液体蒸汽样品的测试,根据液体饱和蒸汽压和载气流速可以方便地计算出蒸汽的浓度。设计了两套分别用于常温和高温测试的腔体,通过缩小腔体体积加快气体交换速度,最大程度地反映传感器的真实响应时间和恢复时间;根据不同的测试腔体分别设计了对应的可拔插测试底座,简化了传感器的安装和测试流程。 2.将稀溶液聚合法与光刻技术相结合,在柔性PET基底上制备了图案化聚苯胺纳米线阵列,实现了导电聚合物纳米材料微观有序与宏观有序的高度统一。详细研究了基底材料对生长和溶脱过程的影响,通过扫描电镜和光学显微镜等表征,我们发现所制备的图案边缘清晰锐利,纳米线垂直于基底生长形成有序的阵列结构,其直径约为50nm,高度为300nm左右。以不同宽度的线条状纳米线阵列为活性材料构筑了氨气传感器,发现传感器的灵敏度随着线宽的缩小而增大,证明活性材料的比表面积大小直接决定了气体传感器的灵敏度。进一步,我们以宽度为10μm的线条构筑了氢气传感器,通过测试发现,具有高比表面积的纳米线有序阵列提供了大量的活性吸附位点,使得氢气传感器具有了较高的灵敏度和良好的循环稳定性,与文献报道的聚苯胺膜相比,其检测限下降了大约两个数量级,达到了100ppm以下。 3.将手性诱导与自组装技术相结合,成功制备了长度在20μm以上、具有清晰螺旋并且分散性较好的手性聚苯胺微米纤维。通过光谱和结构表征证明该微米纤维是由更细小的纳米纤维缠绕而成的,并且微米纤维与纳米纤维具有相同的分子堆积方式,其中π-π堆积沿着螺旋纳米纤维长轴的方向,聚苯胺分子平面垂直于长轴方向。随后我们以单根螺旋微米纤维为活性材料构筑了手性气体传感器,并对氨基己烷手性对映体及其外消旋体进行了检测,发现由于螺旋聚苯胺纤维具有特殊的手性结构,它在与不同手性的氨基己烷作用时响应灵敏度会出现明显差异—左旋纤维对S-(+)-氨基己烷更灵敏,而右旋纤维则对R-(-)-氨基己烷更灵敏,并且这种灵敏度差异随着浓度增加越来越显著。因此基于聚苯胺螺旋纤维的手性气体传感器提供了一种新型的手性识别途径,这种方法克服了传统手性识别手段(如色谱法)不能进行在线检测的缺点。 4.研究了n型小分子材料苝酰亚胺衍生物苝湾和侧链位置上吸电子取代基对其气敏性质的影响。首先我们以PTCDI-C12、PTCDI-Br2C12以及PTCDI-CN2C12的一维微米/纳米结构单晶为活性材料构建了气体传感器,通过研究它们对浓度为1%的氨气的响应发现,处于苝湾位置的强吸电子取代基CN可以极大地提高整个大π共轭体系的吸电子能力,从而增强了苝酰亚胺衍生物对弱还原性气体的检测能力,同时苝核上强吸电子基团的存在也提高了苝酰亚胺衍生物在空气中的稳定性。随后我们研究了PTCDI-Cl4C12和PTCDI-Cl4C4F7的微米/纳米单晶的气敏性质,发现这两种衍生物对肼蒸汽均具有非常高的响应灵敏度,在10ppm浓度下其电阻都下降了接近4个数量级。通过进一步降低肼蒸汽的浓度,我们发现具有全氟取代烷基侧链的苝酰亚胺衍生物PTCDI-Cl4C4F7具有更低的检测限,这说明强吸电子能力的侧链也可以在一定程度上影响整个共轭体系的LUMO能级,通过对两者的循环伏安特性研究也证实了这一观点。