TiO2 나노튜브 어레이:소프트-하드 템플릿으로 제작된 전계 방출 성능의 입자 크기 의존성
초록
고도로 주문된 TiO2 나노튜브(TNT) 어레이는 소프트 및 하드 템플릿의 조합에 의해 성공적으로 합성되었습니다. 이들의 제조에서 양극 산화알루미늄 막은 단단한 주형으로 작용하는 반면, TiO<하위>2 ) TiO2의 입자 크기를 제어하는 소프트 템플릿을 제공합니다. 나노튜브. 우리의 결과는 전계 방출(FE) 성능이 소성된 TiO2의 입자 크기에 결정적으로 의존함을 나타냅니다. PS-b-PEO와 TTIP와의 혼합 비율이 지배적입니다. 최적화된 샘플(TTIP/PEO 비율 3.87)은 3.3V/um의 낮은 턴온 필드와 7.6mA/cm의 높은 전류 밀도를 모두 포함하는 우수한 FE 성능을 나타냅니다.
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12.7V/μm에서 향상된 FE 특성은 TiO2의 더 작은 입자 크기로 인한 낮은 유효 일함수(1.2 eV)에 기인할 수 있습니다. .
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배경
1차원 나노물질은 전자 전계 방출체와 같은 다양한 응용 분야에 대한 잠재력으로 인해 큰 관심을 끌었습니다[1,2,3,4,5]. TiO2 나노튜브(TNT)는 높은 종횡비, 낮은 일함수(4.5 eV) 및 높은 내산화성으로 인해 방출체로 유망한 후보입니다[4]. 나노튜브의 직경, 높이, 벽 두께, 밀도뿐만 아니라 전계 방출(FE) 성능의 나노어레이 종속성의 규칙성이 자세히 조사되었습니다[6, 7]. 합성 접근법[8, 9]의 개발을 통해 상당한 수의 나노튜브 어레이를 사용할 수 있습니다. 특히, 템플릿 전략은 나노튜브 어레이를 제조하는데 널리 사용되어 왔다. 예를 들어, Tsai et al. 양극 산화알루미늄(AAO)을 사용하여 다양한 크기와 주기를 가진 다이아몬드 나노팁 어레이를 준비했습니다[10]. 준비하는 동안 AAO 멤브레인의 마이크로 채널은 고도로 정렬된 나노어레이의 형성을 유도하는 우수한 하드 템플릿 역할을 할 수 있습니다. 다공성 TiO2 합성에서 우리의 이전 연구에서 나노섬유는 블록 공중합체의 자가 조립이 TiO2의 선택적 분포 및 입자 크기 조작을 위한 효과적인 템플릿으로 입증되었습니다. [11]. 조정 가능한 입자 크기를 가진 고도로 정렬된 TNT 어레이는 소프트 템플릿과 하드 템플릿의 조합으로 예상할 수 있습니다. 먼저 TiO2의 직경, 중심 간 거리 및 길이를 조정하는 것이 쉽습니다. 다양한 AAO 멤브레인을 사용한 어레이; 다른 예로 TiO2의 벽 두께, 입자 크기 및 밀도 나노튜브는 블록 공중합체와 TiO2 전구체의 제어 하에 있습니다. . 가장 중요한 것은 TNT 어레이 및 튜브 레벨의 구조 제어를 별도로 수행할 수 있다는 것입니다. 따라서 이 작업에서는 TiO2 다양한 입자 크기를 가진 어레이가 TTIP(티타늄-테트라이소프로폭사이드)/블록 공중합체의 혼합물로 제작되었습니다. 고순도 어레이 형성을 위한 하드 템플릿(AAO) 외에도 PS-b-PEO를 소프트 템플릿으로 사용하여 TiO2의 입자 크기를 제어합니다. . 생성된 TNT 어레이의 전계 방출 성능은 명백한 입자 크기 의존성을 나타내며, 이는 유효 일함수의 변화에 기인합니다.
방법
기공 크기가 ~ 200 nm이고 두께가 60 μm인 다공성 AAO 멤브레인(Whatman, Germany) 및 분자량 58,500–37,000, 58,600인 폴리스티렌-블록-폴리(에틸렌 옥사이드)(Sigma-Aldrich, USA) –71,000 및 60000–14,500 g/mol이 사용되었습니다. Titanium-tetraisopropoxide(TTIP, Sigma-Aldrich, USA)는 TiO2의 전구체로 작용합니다. . PS-b-PEO 및 TTIP를 다양한 조성비로 클로로포름에 용해시켰다(표 1). S1 내지 S5는 표시된 블록 공중합체 및 블렌드 비율에 해당하는 샘플입니다. 예를 들어, S1은 Mw의 블록 공중합체를 사용하여 제조되었습니다. =58,500–37,000이고 TTIP/PEO 혼합 비율은 3.87입니다. 실온에서 5시간 동안 교반한 후, 혼합 용액을 AAO 막의 바닥으로 옮겼다. 솔루션은 모세관 효과에 따라 AAO의 채널로 들어갈 수 있습니다. 그런 다음, 샘플을 진공에서 12시간 동안 120°C에서 건조시켰다. 공기 중에서 450℃에서 2시간 동안 소성한 후, 샘플을 NaOH 용액(3mol/L)에 1시간 동안 침지시켜 알루미나 프레임을 제거하였다. 마지막으로, 생성물을 탈이온수로 세척하고 40°C에서 24시간 동안 건조시켰다(도식 1).