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0431-81702023
光学工程
纳米传感器与纳米装置

近年来兴起的纳米科学技术是在现代科学和现代技术基础上发展起来的一门综合性科学技术,它是在纳米尺度(0.1~100nm)范围内研究自然界中原子、分子的行为规律,实现由人类按需要直接排列原子,创造出性能独特的产品。纳米科学技术已经迅速渗透到纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学等各个领域,研究和应用前景十分广阔。目前,应用纳米技术研究开发纳米传感器,有两种情况:一是采用纳米结构的材料(包括粉粒状纳米材料和薄膜状的纳米材料)制作传感器;二是研究操作单个或多个纳米原子有序排列成所需结构而制作传感器。 

纳米材料具有巨大的比表面积和界面,对外部环境的变化十分敏感。温度、光、湿度和气氛的变化均会引起表面或界面离子价态和电子输出的迅速改变,而且响应快,灵敏度高。因此,利用纳米固体的界面效应、尺寸效应、量子效应,可制成许多种类的传感器。传感器的研究开发与纳米材料的研究相比,主要体现在应用得更加具体化。传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。 

气敏传感器 

许多纳米无机氧化物都具有气敏特性,对某种或某些气体有极佳的敏感性能。气体传感器材料有如下要求:对测定对象气体具有高的灵敏度;对被测定气体以外的其他气体不敏感;长期使用性能稳定。 

半导体纳米气体传感器是利用半导体纳米陶瓷与气体接触时电阻的变化来检测低浓度气体。半导体纳米陶瓷表面吸附气体分子时,根据半导体的类型和气体分子的种类不同,材料的电阻率也随之发生不同的变化。半导体纳米材料表面吸附气体时,如果外表原子的电子亲合能大于表面逸出功,原子将从半导体表面得到电子,形成负离子吸附。相反,形成正离子吸附。 

湿敏传感器 

湿度传感器可以将湿度的变化转换为电讯号,易于实现湿度指示、记录和控制的自动化。湿度传感器的工作原理是半导体纳米材料制成的陶瓷电阻随湿度的变化关系决定的。纳米固体具有明显的湿敏特性。纳米固体具有巨大的表面和界面,对外界环境湿气十分敏感。环境湿度迅速引起其表面或界面离子价态和电子运输的变化。例如,BaTiO3纳米晶体电导随水分变化显著,响应时间短,2分钟即可达到平衡。湿度传感器的湿敏机制有电子导电和质子导电等。例如纳米Cr2O4-TiO2陶瓷的导电机制是离子导电,质子是主要的电荷载体,其导电性由于吸附水而增高。 

所用纳米材料制成的湿度传感器有很高的湿度活性,湿度响应快,对温度、时间、湿度和电负荷的稳定性高。 

压敏传感器 

在压敏传感器中研究和应用日渐活跃的是氧化锌系纳米传感器,由于其具有均匀的晶粒尺寸,不但适用于低电压器件,而且更适用于高电压电力站,它能量吸收容量高,在大电流时非线性好,响应时间短,电学性能极好,且寿命长。纳米氧化锌压敏传感器高度的非线性电压-电流关系,主要由绝缘晶界层决定。 

纳米材料在传感器上体现的性能还有很多,如热敏性、磁敏性、多功能敏感等。纳米传感器的特征是比表面积大。随着接触面积的增大,便出现了许多特异的性能,可满足传感器功能要求的敏感度、应答速度、检测范围等。 

纳米装置 

俄罗斯某大学技术创新中心经过多年研究与探索,开发出能够生产同样尺寸的纳米粉末装置。使用这种设备能够生产同样大小的硅、硝酸盐和碳化物等纳米粉末,并提高了产量。有关专家指出,这一研究成果具有良好的经济价值,能在实践中获得广泛运用。 

近几年来,人们对纳米技术的研究突飞猛进,纳米技术也不断在实践中获得应用。作为纳米材料的重要形态,纳米粉末首先在生产中获得了广泛应用,如用纳米粉末陶瓷制作高性能的耐火材料、生产涡轮机的叶轮等。但在纳米粉末生产中,最大的问题是产量低、获得的粉末尺寸不均匀、生产成本高。 

科研人员在俄基础研究基金会和促进科技中小企业发展基金的资助下,终于解决了纳米生产中出现的上述问题。使用新方法获得的纳米粉末的大小在300纳米到500纳米之间。 

据悉,科研人员首先在计算机上对上述过程进行了模拟计算,从理论上计算出了设备的大小和气流的速度,以便最终能获得所需要的纳米粉末的尺寸。 

结论 

在纳米技术中,对社会生活和生产方式将产生最深刻而广泛影响的纳米装置与纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平,而纳米传感器恰恰就是纳米器件研究中的一个极其重要的领域。


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