tio2纳米管有序阵列膜可控碳掺杂及其场致电子发射特性的研究 (1)

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1、硕士学位论文M.D.ThesisTiO2纳米管有序阵列膜的可控碳掺杂及其场致∗电子发射特性研究Fieldemissionpropertiesofcarbon-dopedTiO2nanotubearrayswithcontrollabledopingcontent康佑民You-MinKang西北师范大学物理与电子工程学院CollegeofPhysicsandElectronicEngineeringNorthwestNormalUniversity二零一二年五月May2012∗国家自然科学基金(项目批准号:10974155,10774121);甘肃省自然科学基金资助项目(项目

2、批准号:0803RJZA102);甘肃省高等学校研究生导师科研项目(项目批准号:0801-09)资助课题。摘要TiO2纳米管阵列结构具有较低的功函数(4.5eV)，有长径比大和末端曲率半径小的几何特征，且制备工艺简便、成本低，可作为一类很有研发前途的场致电子发射体材料。而当前研究面临的难题一是要进一步降低TiO2纳米管阵列膜仍的开启电场，二是要进一步提高其发射电流密度。鉴于碳掺杂或修饰可在TiO2纳米管阵列膜带隙中引入杂质能级，提升费米能级，进而改善其场致电子发射性能。且通过掺杂量、掺杂温度等参数的调节可深入了解掺杂TiO2纳米管阵列膜场致电子发射性能改善的机理和优化的规律

3、。本论文在小组已有研究工作基础上，以“TiO2纳米管有序阵列膜的可控碳掺杂及其场致电子发射特性研究”为课题开展了较为深入的研究工作。主要述及以下两方面的研究内容和成果：1、采用阳极氧化法制备了高度有序的TiO2纳米管阵列膜，在550℃下用化学气相法实施碳掺杂，通过乙炔流量的控制实现对碳掺入量的精确控制；用场发射扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、X-射线光电子能谱仪等仪器对样品的表面形貌、物相、成分等进行表征，并研究了样品的场致电子发射特性。研究结果表明，550℃时碳掺杂并未改变TiO2纳米管有序阵列膜的几何特征，而是增加了材料的电子浓度，提升了费米能级，降低了有效功函数，从而

4、改善了样品的场致电子发射性能。更重要的是，碳掺入量的调节可实现对TiO2纳米管有序阵列膜场致电子发射性能的优化，譬如，碳掺入量分别为0.62、0.82、1.81、3.31at.%时，样品开启电场分别为11.60、6.35、4.10、5.77V/μm，而阈值电场分别为19.1、14.4、6.7和13.9V/μm。当碳掺入量为1.81at.%时，样品具有最优的场致电子发射性能。2、采用阳极氧化法制备了TiO2纳米管有序阵列膜，并在750℃高温下实施碳化处理。研究结果表明，高温碳化处理后的样品基本保持了TiO2纳米管有序阵列膜完整的形貌结构，但样品表面的粗糙度有所增加，微结构中有

5、TiOxCy相产生，亦使样品的电导率提高、费米能级上移。初步研究表明，经高温碳化处理的TiO2纳米管有序阵列膜的场致电子发射特性得到了较大的改善，开启电场可降至1.6V/μm，阈值电场为6.2V/μm。关键词：TiO2纳米管阵列；场致电子发射；可控碳掺杂iAbstractWell-alignedTiO2/Tinanotubearrays,possessinglowworkfunction(4.5eV),highaspectratio,andsmallcurvatureradius,canbeeasilysynthesizedinlowcost.Andtheyareconsi

6、deredtobepromisingcoldcathodeemitters.However,itisfoundthat,asthefieldemitters,theTiO2/Tinanotubearraysstillfacesomechallengesincludingofhighturn-onfield,lowemissioncurrent,andsoon.RelevantresearchesindicatethatcarbondopingintoTiO2/Tinanotubearrayscanintroducethedopinglevels,raisetheirFerm

7、ilevel,andenhancethefieldemissionproperties.Inaddition,adjustingthecontentofcarbonandthereactiontemperatureisafacileapproachtounderstandandtooptimizethefieldemissionpropertiesofthecarbon-dopedTiO2nanotubearrayemitters.Therefore,basedonpreviousworksofourgroup,t