TiO₂纳米管阵列结构具有较低的功函数（4.5eV），有长径比大和末端曲率半径小的几何特征，且制备工艺简便、成本低，可作为一类很有研发前途的场致电子发射体材料。而当前研究面临的难题一是要进一步降低TiO₂纳米管阵列膜仍的开启电场，二是要进一步提高其发射电流密度。鉴于碳掺杂或修饰可在TiO₂纳米管阵列膜带隙中引入杂质能级，提升费米能级，进而改善其场致电子发射性能。且通过掺杂量、掺杂温度等参数的调节可深入了解掺杂TiO₂纳米管阵列膜场致电子发射性能改善的机理和优化的规律。本论文在小组已有研究工作基础上，以“TiO₂纳米管有序阵列膜的可控碳掺杂及其场致电子发射特性研究”为课题开展了较为深入的研究工作。主要述及以下两方面的研究内容和成果：1、采用阳极氧化法制备了高度有序的TiO₂纳米管阵列膜，在550℃下用化学气相法实施碳掺杂，通过乙炔流量的控制实现对碳掺入量的精确控制；用场发射扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、X-射线光电子能谱仪等仪器对样品的表面形貌、物相、成分等进行表征，并研究了样品的场致电子发射特性。研究结果表明，550℃时碳掺杂并未改变TiO₂纳米管有序阵列膜的几何特征，而是增加了材料的电子浓度，提升了费米能级，降低了有效功函数，从而改善了样品的场致电子发射性能。更重要的是，碳掺入量的调节可实现对TiO₂纳米管有序阵列膜场致电子发射性能的优化，譬如，碳掺入量分别为0.62、0.82、1.81、3.31at.%时，样品开启电场分别为11.60、6.35、4.10、5.77V/μm，而阈值电场分别为19.1、14.4、6.7和13.9V/μm。当碳掺入量为1.81at.%时，样品具有最优的场致电子发射性能。2、采用阳极氧化法制备了TiO₂纳米管有序阵列膜，并在750℃高温下实施碳化处理。研究结果表明，高温碳化处理后的样品基本保持了TiO₂纳米管有序阵列膜完整的形貌结构，但样品表面的粗糙度有所增加，微结构中有TiOxCy相产生，亦使样品的电导率提高、费米能级上移。初步研究表明，经高温碳化处理的TiO₂纳米管有序阵列膜的场致电子发射特性得到了较大的改善，开启电场可降至1.6V/μm，阈值电场为6.2V/μm。