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碳掺杂二氧化钛纳米管阵列场发射特性研究 毕业论文.doc

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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9.4 V/?m,阈值电场为20 V/?m,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lectron field emission of carbon-doped TiO2 nanotube array Abstract: TiO2 nanotube arrays were obtained by anodization. To enhancing the field-emission properties of TiO2 nanotube arrays, carbon was implanted into nanotubes by thermal treatment at 550 °C under a continuous argon and acetylene flux. Field-emission measurements exhibit that carbon doping into TiO2 nanotube arrays can dramatically improve the field-emission performance from TiO2 nanotube arrays. The samples’ turn-on electric field is 9.4 V/?m and the threshold electric field is 20 V/?m. And the carbon-doped TiO2 nanotube arrays show good field-emission stability. The dramatically improved field-emission characteristics would be mainly attributed to the reduced work function and up-shift Femi level due to the carbon doping into TiO2 nanotube arrays. Key words: Field-emission;TiO2 nanotube arrays;carbon doping 1. 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(TNTs)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。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,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结构的制备和应用进行深入研究具有重要意义。理论1.2.1 场致电子发射理论 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[]。其基本原理是电子隧效应,即依靠外部电场压抑材料的表面势垒,使势垒降低、变窄,当势垒的宽度窄到可与电子波长相比拟时,电子的隧效应开始起作用,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,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。1.2.2 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,本论文中的场发射性能研究都采用了这一公式。电子的
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