碳掺杂的二氧化钛纳米管有序阵列膜场发射特性的研究

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1、碳掺杂TiO2纳米管场发射特性的研究摘要：近来我们已经研究了碳掺杂TiO2纳米管阵列的场发射特性，它是在持续通入的氩气和乙炔环境下通过对纳米管进行热处理而得到的。表面形貌、晶体结构以及生长样品的成分可分别由场发射扫描电子显微镜、X射线衍射X射线光电子能谱的方法所描述。目前已经发现，对样品进行碳掺杂后它的开启电场从21.9V/μm降到5.0V/μm并且场发射电流密度迅速达到9.0mA/cm2。由于功函数减小使得场发射特性大幅度提高并且由于碳掺杂纳米管增强了它的导电性。Abstract:Thefiel

2、d-emissioncharacteristicsofthecarbon-dopedTiO2nanotubearrays(TNAs)，whichcanbeobtainedbyaheattreatmentoftheas-fabricatedTNAsunderacontinuousargonandacetylenefluxwereinvestigated.Themorphology,crystallinestructure,andcompositionoftheas-grownspecimenswer

3、echaracterizedbytheuseoffield-emissionscanningelectronmicroscopy(FE-SEM),X-raydiffraction(XRD)andX-rayphotoelectronspectroscopy(XPS),respectively.Itwasfoundthatthesamples’turn-onelectricfieldisreducedfrom21.9V/μmto5.0V/μmandthefield-emissioncurrentden

4、sityrapidlyreachesabout9.0mA/cm2at11.8V/μmaftercarbondoping.Thedramaticallyimprovedfield-emissioncharacteristicswouldbemainlyattributedtothereducedworkfunctionandtheenhancedconductivityduetothecarbondopingintoTNAs.一、引入在过去十年里TiO2纳米管阵列得到人们广泛的研究是由于它特有的物理

5、化学性质。它们被应用在各种领域比如光子晶体、自清洁材料、太阳能电池、传感器以及生物材料等等。作为一种很有前景的场发射材料，近几年来TiO2纳米管(TNAs)引起了人们极大的关注，由于它较低的功函数(~4.5eV)、较宽的带隙(~3.2eV)、较小的曲率半径、较强的基底附着力以及杰出的结构可控性、化学和热稳定性。然而，对于这些宽带隙的氧化物材料仍然有许多普遍的困难需要克服，比如说开启电场的数值有些不一致以及发射电流密度相对较小。为了提高纳米材料的场发射性能，对其进行微量元素的掺杂是一种可供选择的方法

6、，因为掺杂会在带隙之间产生附加的能级，这样就会降低功函数并且增强导电性。Liu等人通过在550℃的通入氮气的环境下热处理对TNAs进行掺杂，从而得到较低的开启电场(11.2V/μm)。Wang等人研究得到对TNAs进行掺杂能够提高场发射性能，而且开启电场会降到12V/μm。最近，用碳掺杂的TNAs表明催化效果的增强是由于在带隙中引入了若干局部的占有态。通过热处理碳元素很容易植入二氧化钛纳米管，利用N或Fe掺杂可能会在TNAs中的碳杂质出现意想不到的特征。因此，我们研究碳掺杂TNAs场发射的特性是很

7、有趣的。在本次工作中，通过对钛片阳极氧化就会得到TNAs。通入氮气和乙炔的环境下，在550℃下利用热处理方法就会得到碳掺杂的TNAs，它表现出较好的场发射性能。就我们所了解的知识领域，目前关于通过碳掺杂的场发射特性的研究比较少，这份研究可能会对将来电子显示设备有所裨益。二、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1、场致发射是利用强电场在固体表面形成隧道效应而将固体内部的电子拉到真空中的一种电子流的发射方式[6]。其基本原理是电子隧道效应，即依靠外部电场压抑材料的表面势垒，使势垒降低

8、、变窄，当势垒的宽度窄到可与电子波长相比拟时，电子的隧道效应开始起作用，自由电子就可顺利地穿透表面势垒进入到真空。随着外加电场的增强，势垒高度越来越低，宽度越来越窄，电子隧穿几率越来越大，场发射电流的密度越来越大。场致电子发射是一种很有效的电子发射方式，它可以获得电流密度高达107A/cm2以上的发射电流，而且发射时间没有迟滞。2、Fowler-Nordheim公式金属材料场致发射的定量方程最早是由福勒（R.H.Fowler）和诺德海姆（L.W.Nordheim）推导出来的,本论文