室溫下在HF 水溶液中, 利用陽極氧化法在純鈦表面制備了規則有序的TiO2 納米管陣列, 應用場致發射掃描電子顯微鏡、X 射線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行表征, 并對所得樣片的場發射性能進行測試, 研究了陽極氧化電壓對TiO2 納米管陣列形貌及場發射性能的影響。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, 但壁厚變化比較小。隨著氧化電壓的增大, 開啟場強先降低后增大。當氧化電壓為10 V 時, 所獲得的TiO2 納米管陣列開啟場強最低, 為3.15 V/ um, 在6 h 內8 V/um 電場下保持了穩定的場發射, 電流密度為0.85 mA/ cm2。

　　納米尺寸場電子發射源因其在平板顯示、X 射線管、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之一。寬帶隙半導體材料由于其低電子親和勢和化學穩定性被認為是一種比較理想的場發射陰極材料。TiO2 是一種典型的寬帶隙半導體材料, 約3.2 eV。同時, 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穩定性, 無疑TiO2 將有可能會成為一種新型的場發射陰極材料。

　　目前, 關于摻雜與未摻雜TiO2 納米結構場發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, 但開啟場強仍然不夠低, 為5 V/ um。Sarkar 等[利用水熱法獲得了開啟場強為2.76 V/ um 的TiO2 納米棒。與水熱法相比,陽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, 容易進行多方面的表征和研究, 同時陽極氧化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,因為CNTs 在同一生長過程中產生不同的直徑、螺旋性、方向分布, 故均勻性不好。Chen J. B. 等[在0 ℃HF 水溶液中陽極氧化獲得開啟場強為4.6 V/um 的TiO2 納米管陣列, 但是在0 ℃ 下陽極氧化需要更多的實驗裝置, 操作復雜。Chavan P. G. 等在DMSO 有機溶液中陽極氧化18 h 制得開啟場強為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 水溶液中陽極氧化制備TiO2 納米管陣列, 并研究陽極氧化電壓對TiO2 納米管陣列形貌及場發射性能的影響。

　　結論

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