陽(yáng)極氧化電壓對TiO2納米管陣列生長(cháng)及場(chǎng)發(fā)射性能的影響

　　室溫下在HF 水溶液中, 利用陽(yáng)極氧化法在純鈦表面制備了規則有序的TiO2 納米管陣列, 應用場(chǎng)致發(fā)射掃描電子顯微鏡、X 射線(xiàn)光電子能譜對納米管陣列表面形貌、斷面結構及元素組成進(jìn)行表征, 并對所得樣片的場(chǎng)發(fā)射性能進(jìn)行測試, 研究了陽(yáng)極氧化電壓對TiO2 納米管陣列形貌及場(chǎng)發(fā)射性能的影響。結果表明: 在一定范圍內增大氧化電壓, 可增大納米管的管徑、壁厚和管長(cháng), 但壁厚變化比較小。隨著(zhù)氧化電壓的增大, 開(kāi)啟場(chǎng)強先降低后增大。當氧化電壓為10 V 時(shí), 所獲得的TiO2 納米管陣列開(kāi)啟場(chǎng)強最低, 為3.15 V/ um, 在6 h 內8 V/um 電場(chǎng)下保持了穩定的場(chǎng)發(fā)射, 電流密度為0.85 mA/ cm2。

　　納米尺寸場(chǎng)電子發(fā)射源因其在平板顯示、X 射線(xiàn)管、計算機斷層( Computerized Tomography, CT) 掃描儀、真空微電子器件等方面的應用已成為當前研究熱點(diǎn)之一。寬帶隙半導體材料由于其低電子親和勢和化學(xué)穩定性被認為是一種比較理想的場(chǎng)發(fā)射陰極材料。TiO2 是一種典型的寬帶隙半導體材料, 約3.2 eV。同時(shí), TiO2 具有相對較低的功函數, 約4.4 eV, 比碳納米管( CNTs) 還小( 約5eV) , 保證了更窄的電子躍遷能帶, 以及良好的熱穩定性和化學(xué)穩定性, 無(wú)疑TiO2 將有可能會(huì )成為一種新型的場(chǎng)發(fā)射陰極材料。

　　目前, 關(guān)于摻雜與未摻雜TiO2 納米結構場(chǎng)發(fā)射性能的研究還比較少。其中, Wang 等將TiO2 納米管陣列在氬氣和乙炔混合氣氛中550 ℃ 熱處理獲得C 摻雜TiO2 納米管陣列, 但開(kāi)啟場(chǎng)強仍然不夠低, 為5 V/ um。Sarkar 等[利用水熱法獲得了開(kāi)啟場(chǎng)強為2.76 V/ um 的TiO2 納米棒。與水熱法相比,陽(yáng)極氧化法可在鈦片表面原位生成TiO2 納米管陣列薄膜, 與鈦基底具有良好的歐姆接觸, 容易進(jìn)行多方面的表征和研究, 同時(shí)陽(yáng)極氧化TiO2 納米管陣列具有很好的陣列均勻性, 這與CNTs 相比更為顯著(zhù),因為CNTs 在同一生長(cháng)過(guò)程中產(chǎn)生不同的直徑、螺旋性、方向分布, 故均勻性不好。Chen J. B. 等[在0 ℃HF 水溶液中陽(yáng)極氧化獲得開(kāi)啟場(chǎng)強為4.6 V/um 的TiO2 納米管陣列, 但是在0 ℃ 下陽(yáng)極氧化需要更多的實(shí)驗裝置, 操作復雜。Chavan P. G. 等在DMSO 有機溶液中陽(yáng)極氧化18 h 制得開(kāi)啟場(chǎng)強為1.7 V/ um 的TiO2 納米管陣列, 但DMSO 有機溶液氧化效率較低, 且具有毒性, 成本也較高。

　　本文在室溫下于HF 水溶液中陽(yáng)極氧化制備TiO2 納米管陣列, 并研究陽(yáng)極氧化電壓對TiO2 納米管陣列形貌及場(chǎng)發(fā)射性能的影響。

　　結論

　　室溫下, 在0.5%HF 水溶液中陽(yáng)極氧化制備出了規則有序的TiO2 納米管陣列。在一定范圍內, 隨著(zhù)氧化電壓的增大, TiO2 納米管的管徑、壁厚和管長(cháng)都增大, 但壁厚變化較小; 當氧化電壓增大至25 V時(shí), 納米管狀結構消失, 生成表面有許多大孔的海綿狀結構。隨著(zhù)氧化電壓的增大, TiO2 納米管的開(kāi)啟場(chǎng)強先降低后增大, 場(chǎng)增強因子先增大后降低。當氧化電壓為10 V 時(shí), 所獲得的TiO2 納米管陣列開(kāi)啟場(chǎng)強最低, 為3.15 V/ um, 場(chǎng)增強因子最大, 為2878,同時(shí), 在6 h 內維持了穩定的場(chǎng)發(fā)射。當氧化電壓為25 V 時(shí), TiO2 納米管陣列結構已被破壞, 結構優(yōu)勢的消失導致其場(chǎng)發(fā)射性能大大降低, 開(kāi)啟場(chǎng)強為10.5 V/ um。