环境和能源是当前全球面临的几个主要问题之一,先进清洁能源的相关技术,亟待研究和发展。以二氧化钛（TiO₂）为代表的金属氧化物半导体材料,具有优良的化学稳定性、合适的能带结构、原材料丰富、成本低廉等优异特性,在能源和环境等领域有着诱人的广泛应用前景。本论文围绕TiO₂纳米棒阵列生长和结构调控开展研究工作,并探索了其在光电催化和场发射两个方向的应用基础研究,实现了具有优异光电特性的TiO₂纳米阵列材料的研发,主要工作如下:（1）通过水热法,实现了高定向TiO₂纳米棒阵列的生长,然后利用原子层沉积技术,实现了TiO₂纳米阵列的ZnO表面修饰,进而实现了ZnO@TiO₂异质结纳米阵列的制备。对其光电催化特性的研究结果表明,该结构的电流密度可达1.24 m A/cm²,相比纯TiO₂纳米阵列提高45%。其光电催化特性的强化,主要归因于所构建的ZnO@TiO₂异质结所产生的内建电场,从而达到改善光生载流子的分离与输运的效果。（2）在高定向TiO₂纳米棒阵列的基础上,采用化学沉积实现了枝状TiO₂纳米棒阵列的生长。对其光电催化特性的研究结果表明,该阵列具有优异的光电催化特性,电流密度达1.68 m A/cm²,为当前国际上迄今报导的纯TiO₂半导体光电催化特性的最高值。其光电特性强化主要归因于枝状纳米阵列结构所带来的更高比表面积（增强光吸收）和高定向单晶纳米棒所赋予光电催化阳极更优的光生载流子输运路径（强化光生载流子输运）。（3）在枝状TiO₂纳米棒阵列的基础上,采用离子磁控溅射实现了Au纳米颗粒修饰的枝状TiO₂纳米棒阵列的制备。对其场发射特性的研究结果表明,其开启电压为1.61 V/μm,最大电流密度达4.95 m A/cm²,场增强因子为TiO₂纳米棒阵列的2倍。其电子发射特性的大幅度提高,主要归因于该阵列结构具有增加电子发射点、抑制电子发射屏蔽和降低功函数等的协同强化效果。