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氢气(H2)是一种绿色清洁可持续的能源,安全有效地利用氢能源将对未来环境和人类社会产生重大影响。研制自然环境下工作,具有高灵敏度,能对H2即时响应的H2传感器对氢能源生产、存贮、运输和使用都具有重要意义。具有特殊表面的半导体纳米结构往往具有高反应活性的位错,缺陷和悬挂键,因而在锂电池,太阳能电池,气体传感器等诸多领域有潜在应用。近年来,基于二氧化钛(TiO2)的气敏传感器取得了很大进展,但同时具有低工作温度,高灵敏度,快响应/回复时间且性能稳定的传感器仍然有待研发,相关H2敏感机制仍需深入研究。本论文以取向生长Ti02纳米阵列薄膜为研究对象,对其活性表面进行调控并对其H2敏感性能和敏感机制进行研究。主要研究内容如下:1.紫外光(UV)辐照对(002)取向生长金红石相TiO2纳米阵列H2敏感性能的提升机制:采用UV辐照(002)取向的金红石相TiO2纳米棒阵列薄膜,XPS分析辐照前后薄膜表面的化学状态,研究了 UV辐照对薄膜H2敏感性能的影响。实验结果表明,紫外光辐照可以减少传感器表面污染,增加TiO2纳米棒阵列薄膜表面氧空位,显著提高传感器对H2的灵敏度。2.铂(Pt)纳米颗粒修饰对(002)取向生长金红石相TiO2纳米阵列薄膜H2敏感性能的影响:通过控制Pt直流磁控溅射时间(10 s,20 s,30 s,40 s),研究Pt纳米颗粒在TiO2薄膜表面的量对传感器H2敏感性能的影响及H2敏感机制。实验结果表明,传感器的灵敏度受Pt纳米颗粒溅射量和H2浓度的影响:当Pt溅射时间为10 s时,传感器对lppm H2的灵敏度为正值,随着表面修饰Pt纳米颗粒量的增加(溅射时间为15 s,20 s,30 s),传感器H2灵敏度由负值变为负值;在较低氢气浓度下(1-20 ppm),传感器灵敏度为负值,在较高的氢气浓度下(>40 ppm),传感器灵敏度为正值。灵敏度的正负转变是由于Pt纳米颗粒及TiO2纳米薄膜表面对H2的吸附和解离存在竞争机制。H2优先在Pt纳米颗粒表面进行吸附并解离为H原子,当Pt位点被占据满后,H原子由Pt纳米颗粒表面扩散到TiO2表面。3.取向生长金红石相TiO2纳米阵列(101)面,(002)面和(110)面在H2探测过程中的协同作用:通过控制水热反应前驱体中乙醇含量,实现对金红石相TiO2纳米阵列薄膜取向生长的调控并研究其H2敏感性能的变化。实验结果表明,乙醇会促进金红石相TiO2(002)面的生长并抑制金红石相TiO2(101)晶面生长。随着前驱体溶液中乙醇含量的增加,薄膜表面变得致密光滑,传感器对H2灵敏度降低,响应和回复时间变长。理论计算(DFT)结果表明,由于H2在(101)面和(002)面吸附和解离成H原子的能量势垒低于(002)面,且H原子倾向于向下扩散至(110)面重新形成H2并逃逸。因此疏松的纳米棒阵列结构薄膜暴露更多的(110)面,因此具有更高灵敏度和更快的响应。4.(004)取向的锐钛矿相TiO2纳米阵列的合成及H2敏感性能研究:以TBOT为钛源,通过在水热反应前驱体溶液中添加硫酸制备了(004)取向的锐钛矿相TiO2纳米阵列,并通过插入籽晶层与退火的方式促进薄膜生长并提高晶体质量。研究发现(004)取向的锐钛矿相Ti02纳米阵列在常温下具备优异的H2敏感性能,对1 ppm的H2灵敏度高达17%,对1-2000 ppm H2响应时间于30 s,回复时间为少于70 s。优于金红石相TiO2阵列薄膜及文献记载的H2敏感性能。DFT理论计算表明,锐钛矿相TiO2(004)晶面上Ti原子和O原子均参与H2响应,H2在(004)晶面上分解为H原子和重新产生成H2的表面能势垒较低,是H2传感器具备高灵敏度和快速响应的原因。