高有序a-CNTs/TiO2纳米管阵列的制备及其场发射性能研究

摘要

采用阳极氧化法和高压液相电化学方法分别制备了高度有序结构的TiO2纳米管(Titanium dioxide nanotubes。TNTs)阵列、具有异质结构的非晶碳纳米管/TiO2纳米管(Amorphous carbon nanotubes/Titanium dioxide nanotubes。a-CNTs/TNTs)阵列。研究了电压和时间等条件对样品形貌和场发射性能的影响规律，发现了有序异质结构a-CNTs/TNTs阵列优异的场发射性能，探究了材料的场发射增强机理。本论文的主要内容和结果如下：
　　1.采用二次阳极氧化法在以乙二醇和NH4F混合溶液中制备了高度有序的TNTs阵列。研究发现阳极氧化电压和时间对TNTs表面形貌、尺寸和场发射性能有重要的影响。阳极氧化电压为45 V，氧化时间4 h时制备的TNTs阵列表面平整均一，无絮状物质，纳米管管口无集聚和倒伏现象，纳米管管壁平滑。相应地TNTs阵列具有良好的场发射性能。
　　2.采用高压液相电化学的方法，以甲醇为碳源，在优化制备的TNTs阵列表面生长a-CNTs，制备了高度有序的异质结构的a-CNTs/TNTs阵列。研究了沉积电压和时间对a-CNTs阵列生长的影响规律。结果发现，沉积电压为1200 V时，由于TiO2的限域作用，碳纳米颗粒沿管壁定向生长形成a-CNTs结构。随着沉积时间增加至10 h，a-CNTs逐渐连接、填充甚至闭合，在表面层形成一层无序a-C:H层。场发射测试显示，沉积电压为1200 V，沉积时间8 h时，a-CNTs/TNTs阵列具有优异的场发射性能。
　　3.研究了TNTs阵列、异质结构的a-CNTs/TNTs阵列和非晶碳薄膜(a-C:H)的表面形貌、结构和场发射性能。结果表明a-CNTs和TNTs之间形成良好的界面结合。高有序结构的a-CNTs/TNTs场发射性能远远好于单一结构TNTs和a-C:H。场发射开启电场最低为2.6 V/μm；在电场强度为5.2 V/μm时达到最大发射电流密度为14 mA/cm2。研究发现，高度有序异质结构的a-CNTs/TNTs阵列优异的场发射性能主要归因于独特地有序纳米结构、材料优良的场发射性质以及有效的多层复合结构设计。