纳米碳材料是较好的场发射冷阴极材料，与其他冷阴极材料如金属、半导体相比，具有稳定性好，易制备，发射阈值电压低，发射电流大，材料结构多样及导电性好等优点。尤其是低维纳米碳材料，如一维的碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)、二维的石墨烯（graphene）等已成为研究的热点。纳米碳材料场发射可应用于平板显示器、微波功率放大器、X射线管等器件。但是，由于以下几个原因，纳米碳材料仍未得到广泛商业化应用:1.纳米碳材料的开启场强依然过高，发射电流密度过低，稳定性差，影响到器件的可靠性和稳定性。2.在常栅极三极结构中，调制电极（栅极）的制作需要依靠微纳米工艺来完成，极大地增加了工艺的复杂性和成本。3.在场发射三极结构中，栅极电压过高，影响到电子调制的灵敏度，严重制约着纳米碳材料在场发射器件中的应用。4.场发射三极结构中，发射电流和电子发射效率（阳极电流/阴极发射电流）过低，不能满足应用要求。本论文围绕着提高纳米碳材料的场发射性能，改进场发射三极结构的电子调制性能这两个关键问题展开，旨在降低场发射器件结构制作的工艺复杂性，降低栅极调制电压，增大场发射电流和电子发射效率，以推进它在大电流密度场发射器件中的应用。本文主要的研究工作及成果如下:　　1.定向碳纳米管的优化制备及其场发射性能改善　　以单根碳纳米管生长为研究对象，讨论了生长温度，催化剂种类和催化剂颗粒尺寸对定向生长的碳纳米管结构、形貌的影响，获得制备高长径比碳纳米管的生长条件。通过三种不同催化剂Fe，Co，Ni的比较，优化制备了六边形定向碳纳米管阵列。测定其二极结构场发射性能，最大电流密度为2.014A/cm2，开启场强仅为1.2V/μm，与国际上相关文献报道的不同图案的定向碳纳米管场发射性能相比，有效地降低了开启场强，并使发射电流密度有很大提高。　　2.碳纳米管支撑石墨烯的场发射特性研究　　结合定向碳纳米管生长，提出了利用碳纳米管的一维结构特性，支撑石墨烯，使石墨烯置于碳纳米管阵列顶部，利用由此产生的石墨烯凸起的尖端和边缘的作用，特别是石墨烯边缘的作用，改进石墨烯的场发射特性。与国际上报道的石墨烯场发射性能相比，有效地提高了石墨烯的场发射电流密度和降低了开启场强，最大电流密度为2.8mA/cm2，开启场强仅为1.8 V/μm。　　3.平面三极结构电子调制性能研究　　以定向生长六边形碳纳米管发射体为基础，创新性地设计了一种可同步制作碳纳米管栅极和发射体的新型场发射平面三极结构及工艺方案，解决碳纳米管发射体生长过程中对传统金属栅极电极造成损坏的问题，保证了器件的完整性。对不同高度的碳纳米管栅极通过实验和计算机模拟，对发射阵列的整体结构设计进行了优化，获得平面三极结构的阳极电流密度能够达到1.4A/cm2，对应的栅极电压仅为32V，调制电压范围（开启电压至最大阳极电流对应的电压）为8V～32V，与国际上报道的具有相似场发射三极结构相比，极大地降低了调制电压。这对于碳纳米管阴极在场发射器件中的实际应用有着重要意义。该研究成果发表于IEEE Electron Device Letters，2014，35(1):126-128上。　　4.表面传导结构电子调制性能优化　　针对以金属银电极为一次电子发射材料，氧化锌为二次电子发射材料的表面传导场发射三极结构中存在的阳极电流过低（＜50μA）、栅极调制电压过高（开启电压＞100V）、电子发射效率过低(＜60％)的问题，提出了以碳纳米管为一次电子发射材料，氧化锌/氧化镁为二次电子发射材料的表面传导场发射结构改进方案。通过计算模拟和实验论证，发现在发射体中掺杂适量的具有高二次电子发射系数的氧化镁，能够大幅降低栅极电流，增大阳极电流，其最大阳极电流为1.2mA，开启电压为48V，调制电压范围为48V～90V。该系列研究成果发表于Applied Physics Letters，2008，93(25):p.253501;Physica Status Solidi C,2012,9(1):70-73上。　　在利用石墨烯场发射的边缘效应的特点，将其边缘作为场发射阴极以提高栅极对石墨烯阴极电子发射的调制效果的基础上，提出了基于石墨烯的表面传导场发射结构。该结构是以定向生长碳纳米管为基础，以碳纳米管-石墨烯复合材料为一次电子发射材料，结合丝网印刷技术，以氧化锌为二次电子发射材料的表面传导场发射结构。其最大阳极电流为1.6mA，开启电压降低至32V，比未采用石墨烯的表面传导结构的电压降低了33％，调制电压范围为32V～60V，有效地提高了电子调制灵敏度，电子发射效率达到90％以上。为了验证表面传导结构的电子调制性能，制备了320×240像素的场发射显示原型器件，进行了静态和动态测试。测试结果表明，该结构具有良好的稳定性和均匀性。这对未来场发射显示器发展提供了一种可行的方案。该研究成果发表于Carbon，2013，56:255-263上。