毕 业 论 文
汽车发动机的维护与保养
系 别 汽车检测与维修 系
年级专业 09级汽修2班
学生姓名 叶光耀
指导教师 xxx
专业负责人 x x x
答辩日期 2012年5月10日
烟台汽车工程职业学院
目 录
摘 要……………………………………………………………………………2
关键词……………………………………………………………………………3
一.发动机基本构造…………………………………………3
二. 关于发动机故障及维护………………………………………………4
2.1发动机故障八大主要因素………………………………………………4
2.2发动机故障诊断方法………………………………………………………5
2.3发动机简单维护…………………………………………………………6
三. 发动机主要保养方面…………………………………….…………………7
3.1车辆保养识常…………………………………………………………7
总 结……………………………………………………………………………9
致 谢……………………………………………………………………………9
参考文献…………………………………………………………………………10
(【 摘要 】
汽车的修理和维护是大家头痛的问题。 如果平时不知好好保养爱车，或者驾车习惯不好，一旦车子得进厂大修特修，不单得付 出一笔可观的费用，时间的浪费和精神上的折磨，更是难以数计。 所以，汽车要时时注意保养，从你拥有汽车的第一天就小心维护，以免因小失大呢？本文从汽车理论知识出发，为您讲解汽车发动机的维修和保养的基础知识。
【关键词】发动机诊断 检修 保养
一.发动机基本构造
发动机是将某一种型式的能量转换为机械能的机器，其作用是将液体或气体燃烧的化学能通过燃烧后转化为热能，再把热能通过膨胀转化为机械能并对外输出动力。
汽车发动机
汽油机通常由曲柄连杆、配气两大机构和燃料供给、润滑、冷却、点火、起动五大系统组成。
1．曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是由气缸体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮等组成。这是发动机产生动力，并将活塞的直线往复运动转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。
2．配气机构
配气机构是由进气门、排气门、气门弹簧、挺杆,凸轮轴和正时齿轮等组成。其作用是将新鲜气体及时充入气缸，并将燃烧产生的废气及时排出气缸。
3．燃料供给系
由于使用的燃料不同，可分为汽油机燃料供给系和柴油机燃料供给系。
汽油燃料供给系又分化油器式和燃油直接喷射式两种，通常所用的化油器式燃料供给系由燃油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进排气歧管和排气消声器等组成，其作用是向气缸内供给已配好的可燃混合气，并控制进入气缸内可燃混合气数量，以调节发动机输出的功率和转速，最后，将燃烧后废气排出气缸。
4．冷却系
机动车一般采用水冷却式。水冷式由水泵、散热器、风扇、节温器和水套（在机体内）等组成，其作用是利用冷却水的循环将高温零件的热量通过散热器散发到大气中，从而维持发动机电动正常工作的温度
5．润滑系
润滑系由机油泵、滤清器、油道、油底壳等组成。其作用是将润滑油分送至各个相对运动零件的摩擦面，以减小摩擦力，减缓机件磨损，并清洗、冷却摩擦表面。
6．点火系
汽油机点火系由电源（蓄电池和发电机）、点火线圈、分电器和火花塞等组成，其作用是按规定时刻及时点燃气缸内被压缩的可燃混合气。
7．起动系
起动系由起动机和起动继电器等组成，用以使静止的发动机起动并转入自行运转状态。
发动机工作原理
发动机将热能转变为机械能的过程，是经过进气、压缩、作功和排气四个连续的过程来实现的，每进行一次这样的过程就叫一个工作循环。凡是曲轴旋转两圈，活塞往复四个行程完成一个工作循环的，称为四冲程发动机。
1. 四冲程汽油机的工作原理：
(1) 进气行程。曲轴带动活塞从上止点向下止点运动，此时，进气门开启，排气门关闭。活塞移动过程中，气缸内容积逐渐增大，形成真空度，于是可燃混合气通过进气门被吸入气缸，直至活塞到达下止点，进气门关闭时结束。
(2) 压缩行程。进气行程结束时，活塞在曲轴的带动下，从下止点向上止点运动，气缸内容积逐渐减小。此时进、排气门均关闭，可燃混合气被压缩，至活塞到达上止点时压缩结束。压缩过程中，气体压力和温度同时升高，并使混合气进一步均匀混合，压缩终了时，气缸内的压力约为0.6MPa～1.2MPa，温度约为600K～800K。
(3) 作功行程。在压缩行程末，火花塞产生电火花点燃混合气，并迅速燃烧，使气体的温度、压力迅速升高，从而推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转作功，至活塞到达下止点时作功结束。
作功开始时气缸内气体压力、温度急剧上升，瞬间压力可达3MPa～5MPa，瞬时温度可达2200K～2800K。
(4) 排气行程。在作功行程接近终了时，排气门打开，进气门关闭，曲轴通过连杆推动活塞从下止点向上止点运动。废气在自身剩余压力和在活塞推动下，被排出气缸，至活塞到达上止点时，排气门关闭，排气结束。因排气系统存在排气阻力，排气冲程终了时，气缸内压力略高于大气压力，约为0.105MPa～0.115MPa，温度约为900K～1200K。
二.关于发动机故障及维护
2.1发动机出现故障的八大主要因素
每个人都有一颗心脏，如果心脏停止跳动，生命也将随之消逝。汽车也不例外，发动机就是汽车的心脏，保养的好与坏直接影响着汽车的性能和它的使用寿命。为了让我们的爱车远离“心脏病”，就要像爱护自己的心脏一样爱护汽车的发动机。下面所介绍的导致车辆患“心脏病”的八大要因，或许会给让你有所受益。
要因一、不按期保养
通常人们总是喜欢在改装上投入很多钱，但却容易忽视按期给发动机做保养。据有经验的汽修师傅说：“在他们所经手维修的汽车中，车辆因发动机保养不良造成的故障占总故障50%之高。”可见发动机保养对延长车辆使用寿命能起到至关重要的作用。当然也会给你减少不必要的损失，要不怎么会有“以养代修”这个名词。
要因二、机油变质及机油滤芯不畅
不同等级的润滑油在使用过程中油质都会发生变化。车辆行驶一定里程之后，性能就会恶化，可能会给发动机带来种种的问题。为了避免这些故障的发生，应该结合使用条件定期给汽车换油，并使油量适中，一般以机油标尺上下限之间为好。
机油从机油滤芯的细孔通过时，把油中的固体颗粒和黏稠物积存在滤清器中。如滤清器堵塞，机油则不能顺畅通过滤芯时，会胀破滤芯或打开安全阀，从旁通阀通过，仍把脏物带回润滑部位，促使发动机磨损加快，内部的污染加聚。因此机油滤芯的定期更换同样重要。
要因三、空气滤芯堵塞
发动机的进气系统主要由空气滤芯和进气道两部分组成。根据不同的使用情况，要定期清洁空气滤芯，可使用的方法有高压空气由里向外吹，把滤芯中的灰尘吹出。由于空气滤芯为纸质，所以吹的时候要注意空气的压力不能过高，以免损坏滤芯。空气滤芯在一般在清洗3次后就应更换新的，清洗周期可以由日常驾驶区域的空气质量而定。
要因四、进气管道过脏
如果车辆经常行驶于灰尘较多、空气质量较差的路况区域，就应该注意清洗进气管道，保证进气的畅通。进气管道对于发动机的正常工作非常重要，如果进气管道过脏，会导致充气效率的下降，从而使发动机不能在正常的输出功率范围内运转，加剧发动机的磨损和老化。
要因五、曲轴箱油泥过多
发动机在运转过程中，燃烧室内的高压未燃烧气体、酸、水分、硫和氮的氧化物经过活塞环与缸壁之间的间隙进入了曲轴箱中，使其与零件磨损产生的金属粉末混在一起，形成油泥。少量的油泥可在油中悬浮，当量大时从油中析出，堵塞滤清器和油孔，造成发动机润滑困难，从而加剧发动机的磨损。此外，机油在高温时氧化会生成漆膜和积炭粘结在活塞上，使发动机油耗增大、功率下降，严重时使活塞环卡死而拉缸。
要因六、燃油系统保养不善
燃油系统的保养包括更换汽油滤芯、清洗化油器或燃油喷嘴以及供油管路。燃油在通过油路供往燃烧室燃烧的过程中，不可避免地会形成胶质和积炭，在油道、化油器、喷油嘴和燃烧室中沉积下来，干扰燃油的流动，破坏正常空燃比，使燃油雾化不良，造成发动机喘抖、爆震、怠速不稳、加速不良等性能问题。使用燃油系统清洗剂清洗燃油系统，能够始终使发动机保持最佳状态。
要因七、水箱生锈、结垢
发动机水箱生锈、结垢是最常见的问题。锈迹和水垢会限制冷却液在冷却系统中的流动，降低散热的作用，导致发动机过热，甚至造成发动机的损坏。冷却液氧化还会形成酸性物质，腐蚀水箱中的金属部件，造成水箱破损、渗漏。定期使用水箱强力高效清洗剂清洗水箱，除去其中的锈迹和水垢，不但能保证发动机正常工作，而且可延长水箱和发动机的整体寿命。
要因八、冷却系统状况不良
人们对汽车发动机的养护，尤为重视的是润滑系统，很少重视冷却系统。殊不知汽车发动机最常见的故障，如活塞拉缸、爆震、缸体冲床内漏、产生的严重噪声、加速动力下降等等，都是由于汽车发动机的工作温度异常，压力过大，冷却系统状况不良而造成。冷却系统状况不良将直接导致发动机不能在正常的温度下工作，随之而来就会产生上述严重的故障现象。
2.2 发动机故障诊断方法
故障诊断定义
故障诊断是指在不解体(或仅拆除个别小件)的条件下,确定发动机技术状况,查明故障 部位及原因.
故障诊断方法
诊断故障时应遵循"先易后难、先简后繁、先外后内、分段查找、逐步缩小范围"的原则, 通常采用人工直观法、仪器设备法、故障树分析法对故障予以分析诊断。
人工直观法
人工直观法就是通过问、看、嗅、摸、试、听等直接感观,或借助简单工具,以确定机器技术状况和故障的方法。
(1)问
即向驾驶员询问查核故障前后的诸如车辆行驶里程、使用年限、维护修理、故障预兆、故障发生过程等有关情况.
(2)看
即观察有故障疑点的机构、总成和零件的状况,如各仪表指示数值、机体裂痕和变形、消声 器排放废气的颜色、滴漏的油迹和水迹,再结合其他有关情况分析、判断发动机的工作情况。
(3)嗅
即根据发动机运行中散发出的异常气味判断故障部位,如有生汽油昧,表明有漏油或燃烧不良。
(4)摸
即用手触试可能产???故障部位的温度、振动情况等,从而判断出诸如配合的松紧度、轴承间隙的大小??零件配重的平衡、柴油管路的脉动以及油、水温度等.
(5)试
就是通过各种试验方法,使故障现象充分地显现出来,如按喇叭、打开点火开关或灯开关、火花塞"断火"、拉阻风门、使发动机转速迅速升高或降低等,必要时还可换装好的总成或 零件进行对比试验.
(6)听
就是根据发动机在不同工作情况、不同部位发出的声响及声响的规律,判断哪些是正常的,哪些是异常的。如汽缸内有无爆震声、化油器有无"回火"、排气消声器有无放炮声或 "突、突"声等。
以上方法,并非每一种故障诊断都必须遵循该程序,不同的故障应视其具体情况灵活运用。
2.3发动机的简单维护
（1）先检查汽车的防冻液的液面是否合适，正确的液面位置应该在不低于最底线不超过最高线中间偏上是最合适的液面位置！
（2）车辆的电瓶汽车的电瓶检查分3小步，第1步先检查电瓶的电解液是否不足（除免维护电瓶）第2步检查电瓶的“正极”和（负极）的庄头是否松动，第3步清除电瓶两极庄头上的氧化物!
（3）检查和更换机油，这一步工作先要拔出机油尺检查机油的液面，然后观察机油的颜色，如果要是像麻酱色像水一样没有粘稠度了就必须更换了。
（4）空气滤芯器的检查或更换，这一项工作非常简单，只要把滤芯器拆下检查，如果不是特脏就可以不更换用高压气枪吹净即可！
（5）检查清洗散热器和进气道，这一项工作是春天过后必须检查的，因为已进入春天就会有很多柳絮毛之类的杂物粘到散热器上这对汽车进入夏天后发动机散热造成影响必须到维修站用高压气枪吹净！
（6）检查汽车发动机舱内裸露的橡胶皮管（包括：水管，油管，气管）是否有老化皲裂！
（7）检查汽车发动机舱内裸露的电线，是否有开胶！
（8）检查汽车发动机舱内的零件螺丝是否有松动的，如果有立即拧紧！
（9）检查汽车发动机舱内的各处皮带强度是否够
3发动机主要保养方面
3.1车辆保养常识
汽车按时定程保养是关键，汽车保养就如同健身，对延长汽车的使用寿命有很大帮助。很多车主平时工作太忙，等到节假日又把时间用在休闲旅游上。这样循环往复，自己既没有时间养护，又不具备养护专业知识，最终汽车会以发生故障为抗议，到那时后悔晚矣。
根据环境情况和车型的不同，轿车一般每5000公里左右保养一次。其主要内容是更换机油、机滤。由于机油与空气接触及受热易被逐渐氧化，随着油中的酸性物质、胶质、铁屑慢慢地增多，机油的颜色会渐渐变黑，黏度也会逐渐下降，到了规定的换油期则必须更换新油。如果长时间不更换机油，这些沉淀物可能会阻塞油道，导致发动机干磨，严重影响发动机的使用寿命。
保养项目中除更换项目外，还有很多检查项目，工序流程也是相当细致和复杂。首先，要确保汽车各个系统的润滑和油路无渗漏，对各种液面的检查缺一不可：机油液面、防冻液液面、刹车油液面、助力转向液面、齿轮油液面、电解液液面、玻璃清洁液液面等。需要添加的要及时增补，发现渗漏现象，要做到小病及早发现、提前解决，将其对车辆损害降到最低程度。其次，与驾驶员生命息息相关的制动、行使和动力系统也是保养检查的重头戏。内容包括：制动磨擦件的磨损情况、手制动间隙配合、轮胎磨损状况及气压检测、离合器间隙调整等项目。千万不要贪图便宜到路边摊做保养，那些地方对检查和添加项目往往一笔带过，没有质量保证，最后吃亏上当的只有自己。另外，全车照明及指示灯的检查也是必不可少的。如今的交法条文一天比一天细，处罚力度一天比一天大。无疑，在灯光不全的情况下驾车上路是不明智的行为。
保养中更换零部件依据行使里程的需要有所区别。各汽车品牌对其下名下的不同车型安排保养计划，更换燃油滤清器、空气滤清器、空调滤清器、火花塞、正时皮带、制动液、齿轮油等部件。适时更换以上部件对于保持和恢复汽车的技术性能，保证汽车具有良好的使用性和可靠性、延长使用寿命有重要意义。广大司机朋友要改变老的“以修代保”的错误观念，不可以嫌麻烦、图省钱而不保养汽车，以免因小失大。
汽车传感器故障诊断18个要点
1、计算机电源线故障会使汽车发动机的性能变差，经济性下降，所以在进行汽车电脑的更换作业之前应该首先检查计算机的电源线。
2、如果氧传感器的电压信号高于标准值，有可能是传感器被污染，很多时候在这种情况下它会使空燃比变浓的。
3、如果氧传感器的电压信号低于标准值，则可能是传感器出现故障，它会导致发动机的空燃比变稀。
4、在检查氧传感器时必须用数字式万用表，或是示波器。
5、如果氧传感的加热器有故障，它有可能会延长发动机的开环工作时间，使油耗量升高。
6、发动机冷却液温度传感器可以用数字表或是模拟表来检查它的性能。
7、某些计算机的ECT电路中，在发动机的某一温度时会控制一个内部电阻器，改变传感器上的电压，在测量中如果遇见这时的电压异常，并不能说明传感器有故障。
8、测试发动机冷却液温度传感器和进气温度传感器可以使用完全相同的操作程序，唯一需要注意的是它们的温度变化曲线不同，所以在相同的温度时不会有相同的电压信号。
9、在节气门打开，检查节气门位置传感器电压信号时，可以通过适当力度的震动来检查传感器的稳定性，某些电路虚接的故障用这种方法很有效。
10、许多四线式节气门位置传感器中包含一个怠速位置开关，用来在节气门处于怠速位置时向发动机控制单元提供发动机的工作状态信息。
11、有些情况下，可以松开节气门位置传感器的固定螺丝，转动传感器的壳体来调节节气门处于怠速位置时的电压信号。
12、如果进气岐管绝对压力传感器输出的是频率信号，就不能用普通的万用表来测试它了。
13、许多进气岐管绝对压力传感器输出的都是由大气压力转换成的电压信号，这类信号可以用接通点火开关的方法来检查它的好坏。
14、在检查进气岐管绝对压力传感器的输出电压信号时，传感器内应有一定的真空度。大多数情况下每隔10千帕检测一次它的输出信号就能做出判断。
15、测量翼板式进气流量传感器的电压信号时可以在传感器的翼板从全关转到全开的过程中进行检查，观察输出信号的电压值和连续性。
16、有些热阻式或是热线式的进气流量传感器由发动机电脑提供频率变化的电压信号，这类的传感器只能用可以测试频率的万用表来检查它的电压。
17、排气再循环阀位置传感器的电压信号将在阀关闭时的0.8V到阀全开时的4.5V之间变化。
18、计算机用车速传感器的信号来控制变矩器的离合器、行使时的换档、以及行车电脑的数据采集。
发动机是汽车的心脏，如何让发动机青春永驻是汽车保养的关键所在。首先，要注意磨合使用期保养，这是延长发动机使用寿命的基础，另外，要小心发动机三大常见病：
1、发动机磨损。一是冷启动(即发动机停机6小时以上)，在启动的瞬间产生干磨损，这时对发动机的伤害是最大的。另一种情况就是发动机高速运转产生高温，机油相对变稀，此时发动机处于半干磨损状态，这种情况也是不容忽视的现象。
2、亏机油现象。这种情况是由于燃烧室与气缸之间有间隙，造成了机油窜入燃烧室引起。发现发动机有亏机油现象的方法是，先看看排气管是否冒蓝烟，把手伸到排气管处探一下后闻闻手指是否有机油味，如果有味道则证明发动机里有机油窜入燃烧室。
3、油封圈老化。油封圈老化，机油被慢慢地渗漏掉，对轻微烧机油的现象，换机油时加入一定量的修复剂就可以解决。如果情况严重则需要拆卸发动机。
保养发动机一定要定期更换机油、换三滤，另外，要在平时勤观察、勤检查，发现故障及时排除，才能使发动机始终保持在良好的技术运转状态。
4.总结
汽车在现在的生活中是不可多得的交通工具，所以对于汽车的保养是要非常值得注意的，一般汽车每行驶5000公里到10000公里或以上都需要去维修店进行不同的保养，所说的汽车保养，主要是从保持汽车良好的技术状态，延长汽车的使用寿命方面进行的工作。其实它的内容更广，包括汽车美容护理等知识，概括起来讲，主要做好以下三个方面：车体保养、车内保养、车体翻新。
5.致谢
在此我衷心的感谢对我进行辅导帮助的xxx老师，在我撰写论文的过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助，谢谢您给我的帮助和支持！
在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，也感谢本文参考文献的所有作者和单位，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。
最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！
6. 参考文献
[1] 赵英勋. 汽车检测与诊断技术 北京：机械工业出版社 2008.7
[2] 蔡兴旺. 汽车构造与原理. 上册. 发动机、车身 北京：机械工业出版社 2004.8
[3] 关文达. 汽车构造 北京：机械工业出版社 1998
[4] 廖祥兵 满维龙. 汽车维修工艺 北京金盾出版社 2006
7．结束语
经过半年的准备，论文终于顺利完成，由于我实习的车型不是高档轿车，而是经济型的五菱微型客车，从而发现汽车发动机的维护与保养才是最总要的。希望能把此项技术能够简单明了的呈现出来，中间我也是在不懂到半懂的状态的中完成的，这既是自我学习的过程，也是自我努力的结果。
开始一直认为汽车中，保养很重要，但是完成这项论文后，才发现保养比机修同样重要，甚至超过机修，所以，在今后的工作中，要格外重视汽车保养。
完成这项论文，我也是从中获益匪浅，只有一个明确的目标，才能坚持的走下去，还有就是要有具体的计划于安排，步步踏实，步步稳赢！
烟台汽车工程职业学院毕业设计（论文）任务书
系部：汽车检测系 专业：汽车检测与维修技术 姓名：叶光耀
班别： 09汽修2班 学号： xxxxx
毕业设计（论文）题目 汽车发动机的维护与保养
系 部 汽车检测系 专 业 汽车检测与维修技术
选题的意义和研究价值 发动机就是汽车的心脏，保养的好与坏直接影响着汽车的性能和它的使用寿命。为了让我们的爱车远离“心脏病”，就要像爱护自己的心脏一样爱护汽车的发动机。研究汽车发动机的维护与保养，有利于减少事故的发生，避免不必要的损失，提高我们工作的效率。
主要内容主要研究方法 本文主要介绍汽车发动机的故障八大主要因素、故障诊断方法、简单维护、车辆保养识常等。
通过介绍发动机的结构、八大主要因素、故障诊断方法、简单维护的影响等，了解了有关汽车发动机的维护与保养的最直接原因，并对处理故障分析步骤进行介绍，最后是浅谈怎样去维护与保养的措施。
时间安排 2月10日前确定论文题目并对论文进行构思，10日起开始着手写论文
3月初交初稿，4月底交成文
指导老师意见
指导老师签名： 年 月 日
系部意见
系部主任签名： 年 月 日
▲第一作者：许适溥，付会霞；通讯作者：彭海琳 通讯单位：北京大学
论文DOI：10.1002/anie.202006745
本工作将二维高迁移率半导体Bi2O2Se晶体应用于亚ppm范围痕量氧的高选择性和高稳定性的室温检测。利用扫描隧道显微镜（STM）、原位X射线光电子能谱技术（原位XPS）、以及霍尔器件的表征，并结合第一性原理的计算，阐明了二维Bi2O2Se对痕量氧高性能检测的机制。研究发现，二维Bi2O2Se表面暴露于氧时，形成高比表面积的非晶Se重构原子层，可有效吸附氧，二维Bi2O2Se半导体的迁移率和费米能级得以有效调制而改变其电导率；此外，二维Bi2O2Se阵列式氧传感器具有增强的信噪比，可实现低于0.25 ppm浓度氧的检测。
A. 痕量氧传感的发展趋势
当前，痕量氧传感在生物检测、能源、化工、智能制造等众多领域有着广泛的应用。商用的电化学型氧传感器利用氧气在隔膜材料两侧产生的浓差电动势输出信号，其构型复杂，难以微型化。相较而言，电阻型氧传感器的核心结构是一个由传感材料构成的两端电阻，结构大大简化，十分有利于集成化应用。二维材料因其巨大的比表面积和较高的迁移率，可以进一步增强电阻型氧传感器的性能。当前已有文献报道二维MoS2具有较好的氧传感能力，可以实现对浓度为10 %左右氧气的探测。但是，对痕量氧(ppm级)的检测目前仍然是一个重大挑战，其主要原因是MoS2这类材料的表面的活性位点很少，对痕量氧气的吸附能力不足。为从根本上解决这个问题，需要从材料本身的原子和能带结构出发，设计和制备具有丰富活性位点的二维材料基氧传感器。
B. 高迁移率二维半导体材料—Bi2O2Se的引入
2017年，北京大学彭海琳课题组首次报道了具有高迁移率的二维Bi2O2Se晶体。不同于多数二维材料，二维Bi2O2Se的层状结构由[Se]n2n- 和 [Bi2O2]n2n+离子层构成。基于晶圆级的高质量二维Bi2O2Se生长技术，该课题组已将这种材料成功应用到各种高速低功耗电子器件和量子输运器件中，取得了优异的器件性能（ Nat. Nanotech. 2017 , 12 , 530; Nano Lett. 2017 , 17 , 3021; Adv. Mater. 2017 , 29 , 1704060; Nat. Commun. 2018 , 9 , 3311; Sci. Adv. 2018 , 4 , eaat8355; Nano Lett. 2019 , 19 , 2148; Adv. Mater. 2019 , 31 , 1901964; J. Am. Chem. Soc. 2020 , 142 , 2726）。二维Bi2O2Se材料独特的晶体结构，超高的迁移率(2000 cm2V-1s-1以上)和合适的带隙(0.8 eV)使其成为潜在的高灵敏度氧传感材料。
研究的核心问题：对Bi2O2Se表界面进行调控，使其产生更多的吸附活性位点，达到ppm级的氧气检测灵敏度。
本研究从二维Bi2O2Se晶体的表界面结构设计和能带工程的角度出发，旨在实现亚ppm范围痕量氧的高性能室温检测。在表界面结构设计方面，作者证明了Bi2O2Se表面的Se空位能在吸附氧分子后引起表面原子层的重构，使材料表面生成具有高比表面积的非晶Se层。这一Se层具有非常丰富的活性位点，能高效吸附氧分子；在能带工程方面，作者制备了n型的半导体Bi2O2Se，其导带底要高于氧分子的LUMO轨道，这一能级关系会导致Bi2O2Se吸附氧分子后载流子浓度显著下降，使得电阻显著增加。结合二维Bi2O2Se的高比表面积，有望实现对ppm级痕量氧的检测。
4.、材料表征与1理论计算
首先，作者对Bi2O2Se表面Se层的氧吸附行为进行了表征，然后通过理论计算进行了验证和解释（图一）。在氧吸附表征中，作者先利用STM扫描了新鲜解离的Bi2O2Se，得到了Bi2O2Se表面的原子像，发现其具有大量二聚的Se空位。接下来，作者在腔体中引入非常少量的氧分子，发现Se空位作为活性位点开始对氧分子进行吸附。随着引入的氧分子量的增加，Bi2O2Se的表面开始发生重构，形成具有高比表面积的Se非晶层。理论计算的结果表明，Se层的重构是由于吸附分子与Se原子的强相互作用形成。在原位的XPS测试中，具有非晶Se层的Bi2O2Se在环境的氧气浓度只有大约4.0 × 10-11 mol/L时依然可以有效吸附氧分子。这意味着Bi2O2Se可能对氧气非常敏感。
▲Figure 1. Oxygen adsorption on the surface of layered Bi2O2Se. a-c) STM images showing the fresh Bi2O2Se surface containing the Se termination and the Se vacancy after cleavage (a), the surface with little oxygen adsorbed (b), and that adsorbed by lots of oxygen (c). Note that the Se layer turns amorphous for more oxygen adsorbed. d-i) Top views (d-f) and side views (g-i) of atomic structural models for cleaved Bi2O2Se slab (d, g) and different representative O2 adsorption configurations (e, h; f, i). Purple, orange and red balls in structural models represent Bi, Se and O atoms from Bi2O2Se slab, respectively. Green balls serve as adsorbed oxygen molecules. The cleaved Bi2O2Se is terminated by alternate Se and Se vacancy dimers as (a). Single/five oxygen molecules per unit cell are put on Bi2O2Se surface to simulate the few and lots of oxygen introduced, respectively. j) O 1s spectra of the lattice and the adsorbed O under different O2 pressures at room temperature by APXPS measurement.
4.2、器件性能测试
A. 氧传感机理阐述
在加工成氧传感器之前，作者先测试了氧气对Bi2O2Se器件电学特性的调制作用。作者制备了Bi2O2Se霍尔器件，并利用PPMS平台测试了材料曝露氧气后电阻、迁移率、载流子浓度的变化。图二显示，器件在曝露氧气后，电阻有了明显的上升。迁移率和载流子浓度的测试表明，器件电阻显著上升的原因是Bi2O2Se表面吸附了氧分子后迁移率和载流子浓度同时下降。这一现象可归结为：氧分子捕获Bi2O2Se的电子，导致Bi2O2Se载流子浓度的下降；同时，表面吸附的氧分子也会成为散射中心，降低了材料的迁移率。
▲Figure 2. a) Photograph of a typical Hall-bar device of 2D Bi2O2Se. b) The plot showing the resistance variation of Bi2O2Se after exposure to ~ 21 % O2 in air from the vacuum. c) The reduction in the carrier density/mobility of Bi2O2Se as the function of oxygen exposed time. d) Schematic diagram illustrating that the Bi2O2Se Fermi level E f1 shifts to E f2 due to oxygen exposed. ( E fi: the intrinsic Fermi level; CB: conduction band; VB: valence band).
B. 氧传感性能测试
在氧传感性能测试中，作者主要测试了Bi2O2Se传感器在室温下对氧气的灵敏度。为进一步增强性能，作者制备了叉指电极结构的Bi2O2Se传感器。图三显示了该Bi2O2Se器件对低至0.25 ppm，高至400 ppm的氧气均有很好的响应。这一指标优于已知的所有电阻型氧传感器，实现了真正意义上的ppm级氧气传感(接近ppb级)。除了对器件灵敏度的测试，作者还检验了器件的稳定性、选择性等器件性能指标。在器件稳定性的测试中，保存一个月以上的器件依然显示了很好的灵敏度；气体选择性的测试中，Bi2O2Se传感器展现出对氧气的高度专一性。
▲Figure 3. Oxygen detection of 2D Bi2O2Se sensors. a) Schematic presenting 2D Bi2O2Se sensor and its atomic force microscopy image of selected area marked by a red rectangle (scale bar: 1 μm). b) Dynamic responses of 2D Bi2O2Se to different concentrations of oxygen. The sample possesses 0.25 ppm of minimum detection at room temperature. c) Comparison between 2D Bi2O2Se oxygen sensor and other typical oxygen sensors subjected to minimum detection and working temperature (CNT: carbon nanotube). d) Stability test of 2D Bi2O2Se sensor. e) Selectivity test of 2D Bi2O2Se sensor. The concentration of the target gases is ~3 ppm.
C. 氧传感器件的集成
为进一步展示Bi2O2Se传感器在集成化方面的潜力，作者对比了单个Bi2O2Se传感器与Bi2O2Se传感器阵列对痕量氧气的检测能力（图四）。结果显示，阵列器件显示了很高的信噪比，而检测极限也有了提升，达到比0.25 ppm更低的检测下限。这意味Bi2O2Se传感器具有优秀的集成化潜力。
▲Figure 4. Integration of 2D Bi2O2Se sensors for trace oxygen detection. a) Schematic showing arrayed sensors integrated in the form of the parallel (I) and the inpidual (II). b) Optical photograph of the sensor array. Scale bar: 30 μm. c, d) Current variations and the corresponding d I /dt of the connect forms I and II for the change of oxygen concentration, respectively.
作者在此研究工作中利用二维Bi2O2Se材料实现了对痕量氧(0.25 ppm或更低)的检测。所制得的器件在传感器的灵敏度、稳定性、气体选择性和可重复性等多项指标中都具有很好的表现。作者通过STM、原位XPS和理论计算证明：这一系列高性能的指标得益于Bi2O2Se材料表面因为重构形成的高比表面积的Se层。这一工作清晰地阐明了Bi2O2Se表面结构与氧传感性能之间的构效关系，不仅促进了二维材料在气体传感领域的集成化应用，也为从原子结构出发设计高性能氧传感器提供了新的思路。
此工作的通讯作者是北京大学彭海琳教授，共同第一作者为北京大学博雅博士后许适溥和以色列魏茨曼科学研究所的付会霞博士，该工作的主要合作者还包括魏茨曼科学研究所的颜丙海教授、北京大学物理学院的江颖教授、牛津大学的陈宇林教授、上海 科技 大学的柳仲楷教授和刘志教授。该研究工作获得了来自国家自然科学基金、北京分子科学国家实验室、中国博士后科学基金、北京大学博雅博士后等项目的支持。
谨以此文热烈祝贺唐有祺先生百年华诞！
一、红外辐射的产生及其性质
红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16℃)时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律
（9-2-1）
式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。
金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5μm，8～14μm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。
实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。
二、红外传感器的组成：
我们先看看红外系统的组成、主要光学系统和辅助光学系统，在此基础上对红外的关键元件进行详细的探讨。其实，红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分工作原理(如图所示):
三、红外传感系统的分类：
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以各类系统中的两个或者多个的组合。
四、红外传感器工作原理：
（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。
（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。
（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。
（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。
（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。
（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。
（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。
（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。
