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(guī)則有序的TiO2 納米管陣列, 應(yīng)用場(chǎng)致發(fā)射掃描電子顯微鏡、X 射線光電子能譜對(duì)納米管陣列表面形貌、斷面結(jié)構(gòu)及元素組成進(jìn)行表征, 并對(duì)所得樣片的場(chǎng)發(fā)射性能進(jìn)行測(cè)試, 研究了陽(yáng)極氧化電壓對(duì)TiO2 納米管陣列形貌及場(chǎng)發(fā)射性能的影響。結(jié)果表明: 在一定范圍內(nèi)增大氧化電壓, 可增大納米管的管徑、壁厚和管長(zhǎng), 但壁厚變化比較小。隨著氧化電壓的增大, 開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)先降低后增大。當(dāng)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(qiáng)最低, 為3.15 V/ um, 在6 h 內(nèi)8 V/um 電場(chǎng)下保持了穩(wěn)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 射線管、計(jì)算機(jī)斷層( Computerized Tomography, CT) 掃描儀、真空微電子器件等方面的應(yīng)用已成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一。寬帶隙半導(dǎo)體材料由于其低電子親和勢(shì)和化學(xué)穩(wěn)定性被認(rèn)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(dǎo)體材料, 約3.2 eV。同時(shí), TiO2 具有相對(duì)較低的功函數(shù), 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(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(qiáng)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,因?yàn)镃NTs 在同一生長(zhǎng)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(qiáng)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(yàn)裝置, 操作復(fù)雜。Chavan P. G. 等在DMSO 有機(jī)溶液中陽(yáng)極氧化18 h 制得開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)為1.7 V/ um 的TiO2 納米管陣列, 但DMSO 有機(jī)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(duì)TiO2 納米管陣列形貌及場(chǎng)發(fā)射性能的影響。

　　結(jié)論

　　室溫下, 在0.5%HF 水溶液中陽(yáng)極氧化制備出了規(guī)則有序的TiO2 納米管陣列。在一定范圍內(nèi), 隨著氧化電壓的增大, TiO2 納米管的管徑、壁厚和管長(zhǎng)都增大, 但壁厚變化較小; 當(dāng)氧化電壓增大至25 V時(shí), 納米管狀結(jié)構(gòu)消失, 生成表面有許多大孔的海綿狀結(jié)構(gòu)。隨著氧化電壓的增大, TiO2 納米管的開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)先降低后增大, 場(chǎng)增強(qiáng)因子先增大后降低。當(dāng)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(qiáng)最低, 為3.15 V/ um, 場(chǎng)增強(qiáng)因子最大, 為2878,同時(shí), 在6 h 內(nèi)維持了穩(wěn)定的場(chǎng)發(fā)射。當(dāng)氧化電壓為25 V 時(shí), TiO2 納米管陣列結(jié)構(gòu)已被破壞, 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的消失導(dǎo)致其場(chǎng)發(fā)射性能大大降低, 開(kāi)啟場(chǎng)強(qiáng)為10.5 V/ um。