碳纳米管薄膜因为具有优异的场致电子发射特性而被广泛研究并应用于场致电子发射冷阴极器件中。 本论文首先综述了场致电子发射的经典理论和常用的实验分析方法，并在回顾了碳纳米管在场致电子发射领域的研究成果的基础上，介绍了我们制备的两种冷阴极薄膜，分别是使用微波等离子体化学气相沉积(MPECVD)法合成的垂直于衬底生长的碳纳米管薄膜以及使用丝网印刷法制备的碳纳米管复合材料薄膜，并重点介绍了我们通过优化碳纳米管薄膜的微观结构参数和表面性质来改善其场致电子发射特性等方面的工作。 本论文所取得的研究成果可概括如下： 1.发展了微波等离子体增强化学气相沉积(MPECVD)合成碳纳米管的方法，通过对衬底催化剂厚度、催化剂处理时间和碳管合成时间、反应气体配比以及偏压电场的大小和方向等条件进行系统的研究，实现了对成束状生长的有序碳纳米管薄膜中碳管的高度、束密度等形貌特征进行控制。 2.研究了碳纳米管束阵列薄膜的微观结构对其场致电子发射特性的影响。通过数值计算，我们首次提出尖锥状的碳纳米管束结构对电场的增强作用主要依靠中心比较高的碳纳米管，而且通过使用缩减碳管束内部碳管之间的间距的方法(也就是缩减碳管束的直径使碳管进一步靠近)，可以使尖锥状束对电场的增强作用进一步加强。我们认为碳管高度不一样的尖锥状束结构，相对于碳管高度相近的束结构更适合于场致电子发射冷阴极应用。我们首先证明在场致电子发射应用中，碳纳米管束阵列薄膜存在一个最优的束密度。在具有最优束密度的碳管薄膜中，碳管束之间的间距应当是薄膜厚度的一倍。具有最优束密度的碳管薄膜，束与束之间的电场屏蔽效应被最大限度减小的同时，还具有最多的有效发射址数量。 使用MPECVD方法，我们制备了束密度不同的碳纳米管束阵列薄膜，通过分析其场致电子发射特性的测试结果，从实验上证实了数值计算的结论，证明了最优束密度的存在。 3.指出和证明碳纳米管复合材料(CNT-SiO2)冷阴极的内部微观结构对其场致电子发射特性有重要影响。通过研究具有不同碳纳米管含量的复合材料冷阴极的场致电子发射，我们发现碳纳米管含量高的阴极具有更好的场发射性能。理论上来说碳管含量越高，发射性能越好，但是考虑到复合材料的附着力大小以及丝网印刷工艺对浆料的粘滞性等的要求，把碳管的质量浓度定在50％。 4.发展了的反应离子刻蚀(RIE)技术的后处理方法，对大面积(5英寸)的碳纳米管复合材料冷阴极进行后处理。通过RIE后处理，把碳纳米管复合材料表层的二氧化硅刻蚀掉，使深埋在内部的碳纳米管暴露出表面，大量增加场致电子发射址。经过RIE处理的阴极发射性能显著改善，降低了开启和阈值电场，提高了发射电流密度，改善了发射的均匀性和稳定性。