传统的金属或半导体场发射尖端不易制作,长径比小,场发射性能差,高温下容易融化变钝,寿命短。碳纳米管具有纳米级的尖端和非常大的长径比,场发射性能良好,化学稳定性高。随着科技的发展,碳纳米管的制备方法、制备技术和提纯工艺也逐步走向成熟,大规模生产高纯度的碳纳米管已经可以实现。因此,碳纳米管成了优良的场发射阴极材料之一。基于碳纳米管优异的场发射性能,继电致发光显示器件(Light Emitting Diode ,LED)之后,作为第四代显示器件的场发射显示器件(Field Emission Display,FED)被公认为是下一代理想的平板显示器。碳纳米管管束的制备在实验上比较容易实现,因此,大面积制备具有良好场发射性能的碳纳米管场发射阵列就成了研究热点。论文中首先总结了碳纳米管场发射性能研究的进展情况,并阐述了碳纳米管场发射理论,依次对二极管结构和三极管结构的单根碳纳米管场发射阴极,六角密排栅极冷阴极结构的碳纳米管阵列、碳纳米管管束阵列及碳纳米管管束场发射阴极的场发射性能进行了研究。接着,分析探讨了影响各种场发射阴极场发射性能的因素,确定了各个因素的最佳数值,并对这些最佳影响因素做了解释。最后在考虑工艺可行性的同时,对各种场发射阴极的场发射性能进行对比,得出更适合于工业应用的场发射阴极模型。研究结果表明:栅极能够大大增强阴极的场发射性能;栅极冷阴极结构的单根碳纳米管场发射阴极和单管阵列具有较高的场增强因子和场发射电流密度,然而,单根碳纳米管场发射阴极和单管阵列发射阴极在实验上又不易实现;相比而言,碳纳米管束和碳纳米管管束阵列的制备工艺更简单,其场发射性能较单管发射阴极虽然没有增加,但其它材质的场发射阴极相比于,已大大提高,足以应用。因此,综合考虑阴极的工艺可行性和优异的场发射性能,建立六角密排的栅极冷阴极结构的碳纳米管管束阵列场发射阴极模型,并计算分析了这种场发射阴极的场发射参数和最佳工艺参数,为实际生产提供理论参考。