碳掺杂二氧化钛纳米管阵列场发射特性研究 毕业论文

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1、碳掺杂二氧化钛纳米管阵列场发射特性研究摘要：本文采用阳极氧化法制备了高度有序的二氧化钛纳米管阵列，并通过热乙炔处理已制备的二氧化钛纳米管阵列，得到碳掺杂的二氧化钛纳米管阵列。场发射测试表明，碳掺杂二氧化钛纳米管阵列显示了极好的场发射特性，其开启电场为9.4V/mm，阈值电场为20V/mm，且具有较好的场发射稳定性。这是因为碳掺入二氧化钛纳米管将在其禁带引入掺杂能级，这能够使其费米能级得以提高，进而降低其功函数，从而降低了表面势垒，使得电子容易从固体表面发射到真空，这样其场发射特性得到了极大地提高。关键词:场发射；二氧化钛纳米管；碳掺杂

2、Theelectronfieldemissionofcarbon-dopedTiO2nanotubearrayAbstract:TiO2nanotubearrayswereobtainedbyanodization.Toenhancingthefield-emissionpropertiesofTiO2nanotubearrays,carbonwasimplantedintonanotubesbythermaltreatmentat550°Cunderacontinuousargonandacetyleneflux.Field-emi

3、ssionmeasurementsexhibitthatcarbondopingintoTiO2nanotubearrayscandramaticallyimprovethefield-emissionperformancefromTiO2nanotubearrays.Thesamples’turn-onelectricfieldis9.4V/mmandthethresholdelectricfieldis20V/mm.Andthecarbon-dopedTiO2nanotubearraysshowgoodfield-emission

4、stability.Thedramaticallyimprovedfield-emissioncharacteristicswouldbemainlyattributedtothereducedworkfunctionandup-shiftFemilevelduetothecarbondopingintoTiO2nanotubearrays.Keywords:Field-emission；TiO2nanotubearrays；carbondoping1.引言1.1碳掺杂二氧化钛纳米管的研究意义通过阳极氧化法直接生长的二氧化钛纳米管（T

5、NTs）有序阵列具有独特的纳米结构，是一种重要的宽禁带半导体材料，在光解水制氢、光催化降解有机物、染料敏化太阳能电池(DSSC)等方面有着广阔的应用前景。此外，由于其具有化学惰性、良好的生物兼容性、较强的氧化能力以及抗化学腐蚀和光腐蚀的能力,且价格低廉,因而在能量转换、废水处理、环境净化、传感器、涂料、化妆品、催化剂、填充剂等诸多领域引起了人们极大的关注。研究结果表明,二氧化钛的晶粒大小、形状、相组成或表面修饰以及其它成分的掺杂对其性质及功能有显著的影响。二氧化钛纳米管在钛结构中具有基于钛自身较高的电化学稳定性和热稳定性的优点，如较大

6、的长径比和比表面积、较强粘着力、具有较好的结构可控性和吸附能力,有良好的选择性,可望具有新颖的光、电、磁性质,因而具有很好的应用前景和研究价值，近年来已成为研究的热点之一。与二氧化钛薄膜相比,二氧化钛纳米管阵列具有比表面积大,取向性好等特点,此类纳米结构有望提高二氧化钛的性能。而二氧化钛纳米管的复合结构(如核壳结构等)除了具有二氧化钛纳米结构的性能之外还可能兼具新的功能特性。因此对二氧化钛纳米管及其修饰结构的制备和应用进行深入研究具有重要意义。对一维纳米结构，一个较大的应用是基于其纳米尺寸和高长径比的场致电子发射（亦称为场发射）。各样

7、的一维纳米材料如氮化铝（AlN）、氮化硼（PN）、氮化钙（CaN）、氧化锌（ZnO）纳米管，得到了广泛的研究。此外，对好的场发射材料，除了要求其具有有利的结构形态和较强的热化学稳定性外，低电子亲和力也可看作一个至关重要的影响因素。其促使电子从导带传至真空，从而实现在较低的外加电场时，达到较高的场发射电流。然而，不像具有较低电子亲和力的氮化铝（AlN）和氮化硼（PN），一维钛纳米结构的场发射在这方面受到了极大的限制。而通过实验探究，我发现这种限制可通过掺碳（C）来克服。由于掺入的碳和氧空穴的存在，使得生长在钛基底上的二氧化钛纳米管阵列具

8、有较高且极稳定的场发射性能。这就提供了一种有效的方法将劣质场发射材料转变为较好性能的场发射材料。1.2基本理论1.2.1场致电子发射基本理论图1电场作用下金属表面的势垒曲线场致发射是利用强电场在固体表面形成隧穿效应而将固