阳极氧化电压对TiO2纳米管阵列生长及场发射性能的影响

　　室温下在HF 水溶液中, 利用阳极氧化法在纯钛表面制备了规则有序的TiO2 纳米管阵列, 应用场致发射扫描电子显微镜、X 射线光电子能谱对纳米管阵列表面形貌、断面结构及元素组成进行表征, 并对所得样片的场发射性能进行测试, 研究了阳极氧化电压对TiO2 纳米管阵列形貌及场发射性能的影响。结果表明: 在一定范围内增大氧化电压, 可增大纳米管的管径、壁厚和管长, 但壁厚变化比较小。随着氧化电压的增大, 开启场强先降低后增大。当氧化电压为10 V 时, 所获得的TiO2 纳米管阵列开启场强最低, 为3.15 V/ um, 在6 h 内8 V/um 电场下保持了稳定的场发射, 电流密度为0.85 mA/ cm2。

　　纳米尺寸场电子发射源因其在平板显示、X 射线管、计算机断层( Computerized Tomography, CT) 扫描仪、真空微电子器件等方面的应用已成为当前研究热点之一。宽带隙半导体材料由于其低电子亲和势和化学稳定性被认为是一种比较理想的场发射阴极材料。TiO2 是一种典型的宽带隙半导体材料, 约3.2 eV。同时, TiO2 具有相对较低的功函数, 约4.4 eV, 比碳纳米管( CNTs) 还小( 约5eV) , 保证了更窄的电子跃迁能带, 以及良好的热稳定性和化学稳定性, 无疑TiO2 将有可能会成为一种新型的场发射阴极材料。

　　目前, 关于掺杂与未掺杂TiO2 纳米结构场发射性能的研究还比较少。其中, Wang 等将TiO2 纳米管阵列在氩气和乙炔混合气氛中550 ℃ 热处理获得C 掺杂TiO2 纳米管阵列, 但开启场强仍然不够低, 为5 V/ um。Sarkar 等[利用水热法获得了开启场强为2.76 V/ um 的TiO2 纳米棒。与水热法相比,阳极氧化法可在钛片表面原位生成TiO2 纳米管阵列薄膜, 与钛基底具有良好的欧姆接触, 容易进行多方面的表征和研究, 同时阳极氧化TiO2 纳米管阵列具有很好的阵列均匀性, 这与CNTs 相比更为显著,因为CNTs 在同一生长过程中产生不同的直径、螺旋性、方向分布, 故均匀性不好。Chen J. B. 等[在0 ℃HF 水溶液中阳极氧化获得开启场强为4.6 V/um 的TiO2 纳米管阵列, 但是在0 ℃ 下阳极氧化需要更多的实验装置, 操作复杂。Chavan P. G. 等在DMSO 有机溶液中阳极氧化18 h 制得开启场强为1.7 V/ um 的TiO2 纳米管阵列, 但DMSO 有机溶液氧化效率较低, 且具有毒性, 成本也较高。

　　本文在室温下于HF 水溶液中阳极氧化制备TiO2 纳米管阵列, 并研究阳极氧化电压对TiO2 纳米管阵列形貌及场发射性能的影响。

　　结论

　　室温下, 在0.5%HF 水溶液中阳极氧化制备出了规则有序的TiO2 纳米管阵列。在一定范围内, 随着氧化电压的增大, TiO2 纳米管的管径、壁厚和管长都增大, 但壁厚变化较小; 当氧化电压增大至25 V时, 纳米管状结构消失, 生成表面有许多大孔的海绵状结构。随着氧化电压的增大, TiO2 纳米管的开启场强先降低后增大, 场增强因子先增大后降低。当氧化电压为10 V 时, 所获得的TiO2 纳米管阵列开启场强最低, 为3.15 V/ um, 场增强因子最大, 为2878,同时, 在6 h 内维持了稳定的场发射。当氧化电压为25 V 时, TiO2 纳米管阵列结构已被破坏, 结构优势的消失导致其场发射性能大大降低, 开启场强为10.5 V/ um。