论文重点研究了两种新型碳纳米管材料：具有单手性的多壁碳纳米管和硼氮共掺杂的单壁碳纳米管。同时用自己研制的原位透射电镜方法，系统研究了单根纳米管的静态和动态场发射性质，并进一步提出了一种新型的NEMS器件概念。　　 首先，本文报道了在低温等离子体环境中引入氮所得到的高程度晶化的多壁碳纳米管。利用透射电子显微镜对结构的分析发现，这种多壁碳纳米管石墨层的晶化非常好。在对所获得的大约100根多壁碳纳米管手性角测定的统计研究后，发现其中有80％的纳米管各层的手性角都是近乎一致的，剩下20％的纳米管由几种不同的手性角构成。更值得注意的是多壁碳纳米管手性角的分布有一定内在的规律，以5.8°，10.8°和21.9°这几种手性角出现的几率最高。本文可以通过一个简单的理论模型对此做出进一步的解释。　　 其次，在单壁碳纳米管里，金属性和半导体性管的共存一直是阻碍大量制作纳米管场效应晶体管的重大难题。本文提出硼氮共掺杂的碳纳米管是解决这一问题的良好方法。通过对合成的硼氮共掺杂的碳纳米管的测量发现，大于98％的管是半导体性的。这相对于没掺杂的碳管只有70％半导体性的结果有了很大的改善。为了深入理解硼氮共掺杂对碳纳米管电学性质的影响，本文利用第一性原理方法计算了硼氮共掺杂的碳纳米管的电子结构。结果发现，当在金属性的单壁碳纳米管里掺入5％的硼氮时，它会转变为半导体性。掺杂浓度越高，纳米管的带隙越大。而对半导体性的单壁碳纳米管的掺杂仍为半导体性。这项研究为利用纯半导体性的单壁BCN纳米管规模化制作集成纳米管器件开辟了一条新路。　　 利用原位透射电镜操作与测量技术，在研究碳纳米管静态场发射性质的同时，表征了它的形貌与实际功函数。单根管的场发射仍然满足Fowler-Nordheim(F-N)理论。利用实际测量的功函数，计算了场增强因子。这比以往利用石墨的功函数进行推算的结果要准确得多。原位透射电镜观察与测量表明纳米管尖端的实际功函数强烈地依赖与它的结构与表面的环境。本文还研究了电极的形状、间距等几何参数与增强因子的关系。测量结果表明，在针尖-平板电极结构中，场增强因子与电极间距是正的线性关系。数值模拟结果确认了这种关系，并且说明了场增强因子与纳米管的长度基本无关而主要取决于纳米管的半径：β∝r-1/2。　　 最后在研究静态碳纳米管场发射装置基础上，在它的侧面再加上两个电极，通过在侧面的电极加上交流电信号可以把碳纳米管激励到机械共振状态，在纵向加上直流电压，使其发生机械振动与场发射的耦合，进而可以测量到碳纳米管共振状态下的动态场发射性质。笔者证明场发射电流发生振荡，并且频率是机械振动频率的两倍。据此原理笔者设计了一种新的NEMS器件，它的机械振动状态可以通过测量场发射电流得到，并根据电流的振动情况来对器件机械部分进行反馈控制。