Cơ chế nhạy khí của vật liệu tổ hợp ZnO/CNTs bao gồm cơ chế nhạy khí của ZnO hoặc CNT dạng riêng lẽ và cơ chế nhạy khí của dị cấu trúc giữa ZnO và CNT. Điện trở của dị cấu trúc ZnO/CNT có thể tăng hoặc giảm phụ thuộc vào loại khí đƣợc cảm nhận (khí oxi hóa hay khí khử). Diện tích bề mặt cụ thể của bất kỳ vật liệu nào cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính cảm nhận của vật liệu đó [24, 25].
Tổ hợp nano ZnO-CNT tạo thành một lớp tiếp xúc bán dẫn kiểu p-n, với ZnO là bán dẫn loại nvà CNT là bán dẫn loại p cho nên điện trở của cảm biến khí phụ thuộc vào lớp tiếp xúc. Sự khác biệt về hiệu suất cảm nhận khí của một dị cấu trúc ZnO/CNT so với ZnO hoặc CNT có thể đƣợc giải thích bằng sự chuyển dịch điện tích mức Fermi và sự hình thành lớp nghèo.
Khi năng lƣợng Fecmi (EF) của hai vật liệu bán dẫn là khác nhau, các điện tử có năng lƣợng cao hơn trạng thái chiếm trạng thái năng lƣợng thấp hơn cho đến khi đạt đƣợc trạng thái cân bằng. Điều này tƣơng tự nhƣ sự hình thành electron-lỗ trống trong lớp tiếp xúc p-n tạo thành vùng nghèo. Sự khác biệt về mức Fermi của các vật liệu gây ra hiện tƣợng uốn dải, dẫn đến hình thành hàng rào thế năng tại bề mặt phân cách. Để vƣợt qua mặt phân cách, các electron phải vƣợt qua hàng rào thế năng (PE) này. Do đó, chiều rộng của kênh dẫn điện tích
bị giảm đi do sự mở rộng của vùng nghèo ở lớp tiếp xúc dị hợp mà dẫn đến điện trở của dị cấu trúc tăng lên trong không khí so với một loại cấu trúc [6].
Ở điều kiện làm việc bình thƣờng, một lƣợng oxy đáng kể đƣợc hấp phụ ở bề mặt của oxit kẽm. Mỗi electron của vật liệu bán dẫn loại n nhận một phân tử oxy để hoàn thành liên kết, làm giảm mật độ electron của vật liệu. Sự hấp phụ oxy từ bề mặt và sự loại bỏ các điện tử xảy ra ở độ sâu 2–100 nm tính từ bề mặt, còn đƣợc gọi là chiều dài Debye. Khi tất cả các nguyên tử nằm trong khoảng chiều dài Debye thì phản ứng đạt cực đại. Khi vật liệu tiếp xúc với khí khử, các phân tử khí khử kéo oxy bị hấp phụ ra khỏi bề mặt và nhƣờng electron trở lại, làm làm giảm điện trở chất bán dẫn. Hiện tƣợng xảy ra ngƣợc lại đối với bãn dẫn loại p.