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光學工程
納米傳感器與納米裝置

近年來興起的納米科學技術是在現代科學和現代技術基礎上發展起來的一門綜合性科學技術,它是在納米尺度(0.1~100nm)范圍內研究自然界中原子、分子的行為規律,實現由人類按需要直接排列原子,創造出性能獨特的產品。納米科學技術已經迅速滲透到納米材料學、納米機械學、納米電子學等各個領域,研究和應用前景十分廣闊。目前,應用納米技術研究開發納米傳感器,有兩種情況:一是采用納米結構的材料(包括粉粒狀納米材料和薄膜狀的納米材料)制作傳感器;二是研究操作單個或多個納米原子有序排列成所需結構而制作傳感器。 

納米材料具有巨大的比表面積和界面,對外部環境的變化十分敏感。溫度、光、濕度和氣氛的變化均會引起表面或界面離子價態和電子輸出的迅速改變,而且響應快,靈敏度高。因此,利用納米固體的界面效應、尺寸效應、量子效應,可制成許多種類的傳感器。傳感器的研究開發與納米材料的研究相比,主要體現在應用得更加具體化。傳感器上所用的納米材料主要是陶瓷材料。 

氣敏傳感器 

許多納米無機氧化物都具有氣敏特性,對某種或某些氣體有極佳的敏感性能。氣體傳感器材料有如下要求:對測定對象氣體具有高的靈敏度;對被測定氣體以外的其他氣體不敏感;長期使用性能穩定。 

半導體納米氣體傳感器是利用半導體納米陶瓷與氣體接觸時電阻的變化來檢測低濃度氣體。半導體納米陶瓷表面吸附氣體分子時,根據半導體的類型和氣體分子的種類不同,材料的電阻率也隨之發生不同的變化。半導體納米材料表面吸附氣體時,如果外表原子的電子親合能大于表面逸出功,原子將從半導體表面得到電子,形成負離子吸附。相反,形成正離子吸附。 

濕敏傳感器 

濕度傳感器可以將濕度的變化轉換為電訊號,易于實現濕度指示、記錄和控制的自動化。濕度傳感器的工作原理是半導體納米材料制成的陶瓷電阻隨濕度的變化關系決定的。納米固體具有明顯的濕敏特性。納米固體具有巨大的表面和界面,對外界環境濕氣十分敏感。環境濕度迅速引起其表面或界面離子價態和電子運輸的變化。例如,BaTiO3納米晶體電導隨水分變化顯著,響應時間短,2分鐘即可達到平衡。濕度傳感器的濕敏機制有電子導電和質子導電等。例如納米Cr2O4-TiO2陶瓷的導電機制是離子導電,質子是主要的電荷載體,其導電性由于吸附水而增高。 

所用納米材料制成的濕度傳感器有很高的濕度活性,濕度響應快,對溫度、時間、濕度和電負荷的穩定性高。 

壓敏傳感器 

在壓敏傳感器中研究和應用日漸活躍的是氧化鋅系納米傳感器,由于其具有均勻的晶粒尺寸,不但適用于低電壓器件,而且更適用于高電壓電力站,它能量吸收容量高,在大電流時非線性好,響應時間短,電學性能極好,且壽命長。納米氧化鋅壓敏傳感器高度的非線性電壓-電流關系,主要由絕緣晶界層決定。 

納米材料在傳感器上體現的性能還有很多,如熱敏性、磁敏性、多功能敏感等。納米傳感器的特征是比表面積大。隨著接觸面積的增大,便出現了許多特異的性能,可滿足傳感器功能要求的敏感度、應答速度、檢測范圍等。 

納米裝置 

俄羅斯某大學技術創新中心經過多年研究與探索,開發出能夠生產同樣尺寸的納米粉末裝置。使用這種設備能夠生產同樣大小的硅、硝酸鹽和碳化物等納米粉末,并提高了產量。有關專家指出,這一研究成果具有良好的經濟價值,能在實踐中獲得廣泛運用。 

近幾年來,人們對納米技術的研究突飛猛進,納米技術也不斷在實踐中獲得應用。作為納米材料的重要形態,納米粉末首先在生產中獲得了廣泛應用,如用納米粉末陶瓷制作高性能的耐火材料、生產渦輪機的葉輪等。但在納米粉末生產中,最大的問題是產量低、獲得的粉末尺寸不均勻、生產成本高。 

科研人員在俄基礎研究基金會和促進科技中小企業發展基金的資助下,終于解決了納米生產中出現的上述問題。使用新方法獲得的納米粉末的大小在300納米到500納米之間。 

據悉,科研人員首先在計算機上對上述過程進行了模擬計算,從理論上計算出了設備的大小和氣流的速度,以便最終能獲得所需要的納米粉末的尺寸。 

結論 

在納米技術中,對社會生活和生產方式將產生最深刻而廣泛影響的納米裝置與納米器件的研究水平和應用程度標志著一個國家納米科技的總體水平,而納米傳感器恰恰就是納米器件研究中的一個極其重要的領域。


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