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随着人工智能和物联网技术的迅速发展,气体传感器作为采集气体信息的重要手段在国防安全、环境监测、医疗健康和农业生产等领域起到了至关重要的作用。其中,半导体金属氧化物气体传感器具有全固态、高灵敏、低成本、体积小和易制作等优点,一直是气体传感器领域研究的重点。然而构筑高性能气体传感器的核心是设计与制备高效的半导体金属氧化物敏感材料,这是因为传感材料的形貌、结构和化学组成会显著的影响传感器的性能。与N型半导体金属氧化物相比,大多数P型半导体氧化物为过渡金属氧化物,由于其原子d壳层中的电子而呈现出不同的氧化态,并对多数有毒有害气体表现出较好的催化作用,这意味着P型半导体氧化物作为敏感材料构建高性能气体传感器方面具有很好的潜力。因此,本论文采用水热和溶剂热的合成方法制备出不同形貌的CuxO（x=1,2）微纳结构,围绕如何提高它们的识别功能、转换功能和敏感体利用效率等科学问题展开研究。在此基础上,通过多组分复合和原位掺杂技术调控CuxO（x=1,2）的费米能级位置以及表面吸附氧的浓度,来进一步提升传感器的选择性和灵敏度。主要研究内容如下:（1）通过溶剂热法在180℃下制备出由纳米颗粒组装而成的双壳层Cu2O微球,扫描和透射电镜图片显示其平均直径约为5.2μm,外壳的厚度和内球直径分别为0.8μm和3.3μm。N2吸附/脱附等温曲线和孔径分布测试结果表明,双壳层Cu2O微球敏感材料具有较大的比表面积(66.5 m~2g-1)以及孔径（9.9 nm）。此外,通过控制反应时间研究了双壳层的形成机理。我们将所制备的材料涂覆在陶瓷管表面,制作出旁热式敏感元件并测试其气敏特性。测试结果表明,在187℃的工作温度下,双壳层Cu2O微球传感器对正丙醇气体（C3H8O）表现出较高的灵敏度和较好的选择性。该传感器对100 ppm正丙醇气体的响应（Rg/Ra=11）是实心Cu2O微球传感器的2倍,而且具有较快的响应时间（50 s）和恢复时间（40s）、良好的响应恢复特性和长期稳定性。优异的敏感特性归因于其双壳层结构大的比表面积,其可以提供更多的表面活性位点,这有利于氧气的表面吸附和氧化还原反应的进行。同时,分等级空心结构有效增加了气体分子的扩散和敏感体的利用效率。（2）通过一步水热法制备出由纳米棒组装而成的三维（3D）分等级Cu2O-CuO花状结构。扫描和透射电镜图片显示其平均直径约为2.1μm,X射线衍射和X射线光电子能谱显示花状结构是由Cu2O和CuO相复合而成。气敏测试结果显示,在工作温度为187℃下,多种干扰气体（浓度为100 ppm）存在时,基于Cu2O-CuO微米花的传感器不仅对100 ppb NO2气体表现出较高的响应值（S=5.0）,而且其响应只改变了4.2%,这表明传感器对NO2表现出优异的选择性和良好的稳定性。同时,传感器对NO2具有超低的检测限（1.37-5 ppb）、快的响应（35 s）和恢复时间（47 s）。此外,在湿度干扰测试过程中发现,传感器即使在相对较高的湿度下（90%RH）仍然对NO2表现出较高的灵敏度和良好的恢复特性。相比湿度为30%RH时,传感器对10 ppb NO2的灵敏度仅降低了8.6%。优异的NO2传感特性可归因于P-P异质结的存在,其调控了界面处费米能级位置和载流子的迁移,这促进氧分子的吸附和电离,从而提升了复合材料的敏感性能。（3）通过简单的一步水热法制备出花状Cu7S4-CuO分等级结构,并研究了硫的掺杂量对微结构的影响。扫描和透射电镜图片显示其平均直径约为2.6μm。将所获得的Cu7S4-CuO复合物作为敏感材料制作出旁热式敏感元件,并测试其气敏特性。结果显示通过改变复合材料中Cu7S4的比例,可以实现传感器气敏性能的调控。其中基于花状结构Cu7S4-CuO（S/Cu=27 mol%）的传感器对相同浓度硫化氢的灵敏度与其它干扰气体灵敏度的比值(S硫化氢/S其它)在2到20之间,这说明传感器对H2S具有良好的选择性。此外,传感器对50 ppm硫化氢具有快速的响应时间（7 s）和恢复时间（54 s）,而且在225℃时可以检测到ppb数量级的H2S（1.8%-50 ppb）。基于花状结构Cu7S4-CuO（S/Cu=27 mol%）传感器高灵敏和选择性检测硫化氢的主要原因可归因于CuO和Cu7S4之间的协同作用。（4）以Cu2O纳米晶体为牺牲模板合成了六种不同形貌的CuO纳米结构。将六种不同微观结构的CuO敏感材料对直链一元醇类气体进行了气敏测试,从测试结果中我们发现六种CuO传感器的响应值随着一元醇分子的碳原子数的增加出现了先增加而后降低的现象。在一元醇的碳原子数为C5（正戊醇）时,六种不同结构的CuO传感器的响应值均达到了最大值,特别是基于八面体结构的CuO传感器对正戊醇气体表现出较好的敏感性能,其对100 ppm正戊醇的响应和恢复时间分别为8 s和16 s,且在25天内传感器的初始电阻变化幅度仅为8.9%,表明其具有较好的稳定性。为了探究不同结构CuO敏感机制,我们选取了CuO的（110）晶面进行了第一性原理计算。理论计算结果显示与吸附能相比,解离吸附能在CuO的（110）晶面对一元醇类分子的响应起更重要的作用。CH3（CH2）n-1OH（n=1-5）的解离吸附能随着碳链从C1到C5的增加而增加,但在正己醇中出现小幅减少。这一趋势与敏感性能测试中从C1到C5的电信号增强一致。