TiO2-nanobuisarrays:gefabriceerd op basis van een zacht-hard sjabloon en de korrelgrootte-afhankelijkheid van veldemissieprestaties

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de typische SEM-afbeeldingen van TNT-arrays door S1 als voorbeeld te nemen (alle monsters vertonen vergelijkbare morfologieën). In het SEM-beeld van het zijaanzicht (figuur 1a) zijn er enkele verticaal uitgelijnde nanobuisjes met een diameter van ~ -200 nm. Figuur 1b illustreert de SEM-afbeeldingen van het bovenaanzicht van TNT-arrays, waarin de diameter van de nanobuisjes verder kan worden bevestigd. Figuur 2 toont de XRD-profielen van alle monsters die 24 uur bij 40 °C zijn gedroogd. Er zijn sterke diffractiepieken bij 25°, 38° en 48°, wat goed overeenkomt met de gerapporteerde waarden van anatase TiO₂ van JCPDS-kaart nr. 84-1286. Alle monsters vertonen sterke preferentiële groeioriëntaties langs het (101) vlak (25°). De gemiddelde korrelgroottes werden berekend uit de volledige breedte op half maximum (FWHM) van de (101) diffractiepieken met behulp van de Debye-Scherrer-formule [12]:

waar D , λ , β _2θ , en θ zijn respectievelijk de gemiddelde korrelgrootte, röntgengolflengte (1,5418 Å), FWHM in radialen en Bragg's diffractiehoek. De korrelgroottes van de monsters staan ​​vermeld in Tabel 1. Het is duidelijk dat de toename van de TTIP-gewichtsfractie in het mengsel (van S1 naar S3) resulteert in een grotere korrelgrootte.

SEM-afbeeldingen van verkregen TNT's vanaf de zijkant (a ) en top (b ) bekijken

XRD-profielen van TNT-arrays

Fowler-Nordheim (F-N) theorie wordt meestal gebruikt om de FE-eigenschappen van de TNT-arrays [13] verder te analyseren. Het kan worden uitgedrukt als J = (Aβ ² E ² /φ ) exp(−Bφ ^3/2 /βE ), waarbij J is de FE-stroomdichtheid (A/cm ² ), E is het aangelegde elektrische veld (V/μm), ∅ is de werkfunctie (4,5 eV voor TiO₂ ), β is de veldverbeteringsfactor gerelateerd aan de emittergeometrie, en A en B zijn constanten waarvan de waarden 1,56 × 10 ⁻⁶ . zijn (A eV V ⁻² ) en 6,83 × 10 ³ (eV ^−3/2 V μm ⁻¹ ), respectievelijk. Figuur 3a illustreert het stroomdichtheid-elektrisch veld (J–E ) plot van TNT-kathoden, die exponentiële afhankelijkheid vertonen. Het inschakelveld en het drempelveld worden gedefinieerd als het elektrische veld bij een emissiestroomdichtheid van 0,01 en 1,0 mA/cm ² , respectievelijk. Voor S1 zijn het inschakelveld en het drempelveld respectievelijk 3,3 en 6,4 V/μm, met een uitstekende cyclusstabiliteit zoals weergegeven in figuur 3b. De inschakelvelden zijn echter respectievelijk 10,3 en 13,2 V/μm voor S2 en S3. Er wordt geen drempelspanning waargenomen in de resultaten van S2 en S3 binnen het bestudeerde elektrische veldbereik. Om de reden voor het grote verschil in veldemissieprestaties tussen hen te verduidelijken, wordt onze aandacht besteed aan de verschillende nanobuisdiktes en korrelgroottes van TiO₂ verkregen in XRD-profielen. Om te beginnen zijn de diktes (geschat in SEM-afbeeldingen, gegevens hier niet weergegeven) respectievelijk 24, 29 en 36 nm in S1, S2 en S3. Voor een ander ding, de korrelgroottes van anatase TiO₂ verkregen uit XRD-profielen zijn 10,7 (S1), 12,5 (S2) en 14,9 nm (S3) zoals weergegeven in tabel 1. Om de rollen van buisdikte en korrelgrootte in de veldemissieprestaties te onderscheiden, werden de nanobuisjes met de vergelijkbare dikte bereid op basis van de mengverhoudingen weergegeven in tabel 1. Figuur 4a vertegenwoordigt de veldemissiekarakteristiek van deze monsters onder een aangelegde voorspanning. De gemiddelde inschakelvelden (verkregen uit ten minste drie monsters) van S1, S4 en S5 zijn respectievelijk 3,3 ± 0,4, 4,2 ± 0,3 en 8,7 ± 0,5 V/μm. Hoewel er soorten parameters zijn die de prestaties van de veldemissie beïnvloeden, is het nog steeds redelijk om de verschillende prestaties van de veldemissie toe te schrijven aan de korrelgrootte, aangezien de monsters met dezelfde buisdikte onder dezelfde omstandigheden werden vervaardigd. Verder komt de kleinere afmeting (10,7 nm voor S1) overeen met het lagere inschakelveld (3,3 V/μm). Het is de moeite waard om op te merken dat S1 een maximale stroomdichtheid heeft van wel 7,6 mA/cm ² bij het veld van 12,7 V/μm dat veel hoger is dan de gerapporteerde waarden, terwijl het inschakelveld vergelijkbaar is met de resultaten in referenties [14,15,16,17,18].

Stroomdichtheid–elektrisch veld (J–E ) plot (a ) en de stroomdichtheidsstabiliteit van S1 onder 10 V μm ⁻¹ gedurende 180 min (b )

een Stroomdichtheid–elektrisch veld (J–E ) verhaallijn. b De corresponderende Fowler-Nordheim plots

Het FE-gedrag van TNT's kan worden gemodelleerd volgens de bekende Fowler-Nordheim (FN) -vergelijking, zoals weergegeven in figuur 4b. De goede lineaire passing in de curven geeft aan dat de veldemissiestroom alleen afkomstig is van barrière-tunneling-elektronen die door het elektrische veld worden geëxtraheerd. Gebaseerd op de helling van de FN-grafiek (k )_, het is gemakkelijk om de effectieve werkfuncties te berekenen met behulp van de volgende vergelijking:

k =  − (6.83 × 10 ³ )φ ^3/2 /β .

Ze zijn respectievelijk 1,2, 1,5 en 2,1 eV voor S1, S4 en S5, door aan te nemen dat de veldverbeteringsfactor (ongerepte TNT-arrays) 445 is [18]. De vermindering van het inschakel-elektrische veld van de TNT's wordt veroorzaakt door de afname van de effectieve potentiaalbarrièrehoogte als gevolg van de kleinere TiO₂ granen. Daarom is het redelijk om de verbeterde veldprestaties toe te schrijven aan het korrelgrenseffect en de resulterende opwaartse verschuiving van het Fermi-niveau, wat als volgt kan worden geïnterpreteerd [4, 19]. Polykristallijne materialen zijn samengesteld uit kleine nanokristallijne korrels gescheiden door korrelgrenzen, wat leidt tot een groot aantal korrelgrensdefecten. Deze defecten zijn gunstig voor zowel elektronenvangst als elektronentoevoer vanwege de effectieve geleidende route. Dit is de reden voor de toename van de dragerconcentratie en de daaropvolgende opwaartse verschuiving van het Fermi-niveau [19]. Dit stijgende Fermi-niveau kan de werkfunctie (Fig. 4b) en de effectieve potentiële barrièrehoogte van TNT's verminderen, wat overeenkomt met gemakkelijke elektronenemissie, wat de verbeterde veldemissieprestaties verklaart.