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随着智能化社会的逐步推进,微型化高性能的气体传感器在企业和家庭设备中具有广阔的应用需求。氧化锌(ZnO)作为应用最广泛的半导体材料之一,在气体检测中具有独特优势。而当晶粒尺寸逐渐减小达到量子点级别,传感性能得到了极大提升,因此ZnO量子点作为高性能气敏材料之一,成为当前的研究热点。本文以此为背景,对ZnO量子点气敏特性的尺寸效应展开研究。本文基于第一性原理对ZnO气敏晶粒的尺寸效应进行研究,计算了晶粒尺寸在0.325nm～1.625nm范围内氧空位的形成能、态密度和氧吸附能。随着晶粒尺寸的增大,形成氧空位需要的能量增多,氧空位形成能从3.855eV增长到6.256eV,氧空位形成的概率降低;计算了 ZnO晶粒完整和有氧缺陷的(110)面的态密度,载流子迁移率和电导率随着尺寸的增大而增大,同时以尺寸为0.975nm的ZnO晶粒(110)面为例,对总态密度和分波态密度进行比较,发现下价带主要是由O2s态轨道贡献的,上价带主要是Zn 3d态轨道和O2p态轨道所组成,也包含了一小部分的Zn4s态轨道和Zn4p态轨道;导带主要是由O 2p态轨道贡献,也包含一部分Zn 4s态轨道和Zn 4p态轨道,对比尺寸为0.975nm的ZnO完整(110)面和有氧缺陷(110)面的态密度,发现ZnO有氧缺陷(110)面的禁带宽度小于ZnO完整(110)面的禁带宽度,电子从价带跃迁到导带变得容易,从而使ZnO的导电性能增强。根据对ZnO晶粒有氧缺陷(110)面吸附氧的计算结果进行分析,得到结论,对于O-和O2-两种吸附氧的形式,当ZnO晶粒尺寸在1.3nm以下时,吸附O-的能力随着ZnO晶粒尺寸的增大而增强,而O2-的吸附能力基本保持不变,氧在ZnO晶粒有氧缺陷(110)面上的吸附以O-为主;当ZnO晶粒尺寸在1.3nm以上时,存在着竞争吸附的关系,晶粒吸附O2-的能力增强,吸附O-的能力减弱,此时氧在ZnO晶粒有氧缺陷(110)面上的吸附以O2-为主。利用超氧离子(O-和O2-)在尺寸为0.975nm的ZnO晶粒有氧缺陷(110)面的吸附能,计算出O-的吸附比例为60%,O2-的吸附比例为40%,得到ZnO气体传感器的响应与气体浓度的关系,与实验得出的响应和浓度的关系基本一致。建立了一种利用第一性原理计算德拜长度的方法,得出ZnO晶粒的德拜长度为6.521A,与理论值非常近似。综上所述,本文采用第一性原理对ZnO气敏晶粒的尺寸效应进行研究,并通过理论与实验对结果进行验证,证明第一性原理计算所得结果的可靠性,促进了高响应小尺寸的ZnO气体传感器的制备,为提高ZnO气体传感器气敏特性提供一个新的研究方法。