真空电子器件具有高频率和高功率的优势,在当代军事、信息通讯、航空航天、社会生活等领域具有不可替代的作用。电子源是真空电子器件的核心部件,其性能直接决定了器件的整体性能。与传统热阴极相比,冷场发射阴极具有瞬时响应、室温工作、电子束单色性高等优势。为进一步提升场发射阴极电流密度、稳定性、寿命等性能,本论文对不同纳米材料场发射阵列的制备及场发射性能进行了探究,旨在获得性能优良的电子源材料和结构,满足国家在军事以及航空航天等领域的战略需求。场发射阴极的研究先后经历了 Spindt阴极、硅尖阵列、以金刚石为代表的薄膜阴极、以碳纳米管为代表的低维纳米材料阴极等。碳纳米管因其导电性高、机械强度高、长径比大等优势而具有良好的场发射性能,如开启电场和阈值电场较低,但为满足大功率器件的需求,仍需进一步提升电流密度;而Spindt阴极因发射体的位置、形貌、数量、集成度可控、驱动电压低、发射体之间屏蔽效应小等优势而被认为是最理想的电子源结构。因此,本文在对碳纳米管阵列的场发射性能进行优化的同时,还探究了 Spindt阴极的制备工艺,具体包括硅尖和金属锥尖的制备以及硅尖场发射性能的初步测试,为构筑基于碳管的Spindt阴极奠定基础。具体研究内容如下:1、碳纳米管阵列的生长及场发射性能研究。本论文通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法在硅基底表面垂直生长碳纳米管阵列。为进一步增强碳纳米管的场发射性能,在碳纳米管表面包覆低功函数材料碳化钛,并对碳化钛的制备工艺参数进行了优化。结果表明,优化制备的样品开启电场与碳管相比,场发射性能提升明显,开启电场由原来的约2.4V/μm降低至1.8V/μm左右,最大电流由0.782mA增加至1.577mA。2、硅尖Spindt阴极及场发射性能研究。本论文利用二氧化硅作为掩膜,通过干法刻蚀工艺在硅基底上得到不同发射面积的硅尖场发射阵列。为减小刻蚀硅尖的尖端半径,利用多次热氧化工艺,成功制备了尖端半径为10nm左右的硅尖阵列。为降低工作电压,在此基础上制备了具有栅控结构的硅尖场发射阵列,测试结果表明,当栅极电压为60V,阳极电压为2200V时,单个硅尖的平均电流约为10nA。为获得更大的发射电流,后续可通过提升硅尖阵列密度来实现。3、金属锥尖Spindt阴极。为制备形貌更为均一的金属微尖场发射阵列,本论文开发了一种倒模工艺。首先,利用紫外光刻和湿法腐蚀在硅基底表面得到倒金字塔型凹槽。然后,通过磁控溅射在凹槽里填充金属,并通过电镀镍工艺形成新的基底。最后,通过湿法腐蚀掉硅基底,最终分别得到金属钼和镍的尖端场发射阵列。该工艺不但获得了形貌均一的发射尖端阵列,也为后续制备异质结Spindt阴极奠定了工艺基础。