纳米材料场发射阴极是真空微纳电子器件及纳米材料应用研究的热点之一。纳米材料场发射阴极已经开始在场发射显示器、电子显微镜、X射线管、微波管和航天微推进器诸多领域得到初步应用。但是，由于发射电流稳定性和使用寿命等一系列关键问题尚未完全解决，纳米材料阴极还仍然处于研究和开发阶段。　　 本论文的研究围绕影响纳米材料阴极场发射性能的残余气体、离子轰击和材料蒸发展开，研究了纳米氧化锌和碳纳米管场发射阴极工作时器件内的残余气体成份、残余气体电离产生的离子轰击以及材料蒸发对阴极场发射性能的影响。在此基础上，提出有效改善纳米材料阴极的场发射性能的方法，制备具有较大发射电流和较大电流密度的纳米材料场发射阴极。　　 本论文的主要工作及成果可概括如下:　　 1.研究发现了氧化锌阴极工作时器件内部材料放出的残余气体主要成份为H2，CO2，CO和少量的CH4;碳纳米管器件内部材料放出的残余气体主要成份为H2，CO2和CO。器件内残余气体对阴极场发射性能的影响与其总压强有关。对实验结果的分析发现，氧化锌和碳纳米管阴极的开启场强和阈值场强的增长率与残余气体总压强呈指数关系。　　 2.提出了采用离子枪产生离子轰击阴极的加速测试方法研究离子轰击与纳米材料阴极的作用机制。研究发现了离子轰击影响纳米材料阴极场发射性能的两个主要原因:一是破坏阴极发射体减小阴极的场增强因子，二是改变阴极表面的状态增大阴极材料的功函数。离子轰击加速实验显示，氧化锌和碳纳米管阴极均随离子能量提高和轰击时间增长呈功函数增加、场增强因子减小趋势;并且研究还发现碳纳米管阴极的抗离子轰击能力要强于氧化锌阴极。　　 3.提出了采用被动加热的方法单独研究高温蒸发对阴极场发射性能的影响。研究发现了氧化锌阴极在1237K以上温度时开始蒸发出氧和锌;而碳纳米管阴极在1173K以上温度时开始蒸发出碳。实验结果显示，一方面高温蒸发引起发射体缩短或断裂造成阴极场增强因子的减小;另一方面高温蒸发引起发射体表面成份的变化造成阴极功函数的增加。　　 4.在场发射阴极电流跌落机制研究基础上，提出有效改善纳米材料阴极场发射性能的方法。　　 (1)在丝网印刷浆料中添加金属铋颗粒。金属铋颗粒可以降低场发射阴极的温度，减少放气和蒸发;金属铋颗粒可以加强阴极与衬底的粘附作用，可以增强阴极的抗离子轰击能力。　　 (2)用金属钨钼合金代替金属镍等易蒸发的金属作为金属电极，有效避免电极衬底蒸发对场发射阴极的影响。　　 (3)提出采用针刺和老炼除气相结合的方法对场发射阴极进行后处理。针刺可以增加阴极的放气表面，老炼除气可以尽量排除阴极工作时器件内的残余气体。　　 5.利用改善后的丝网印刷方法制备了大电流碳纳米管场发射阴极。阴极有效发射面积约为0.8mm2，阴极在真空室获得的最大场发射电流为52.1mA，发射电流密度约为6.6A/cm2。该纳米场发射阴极与已经报道的结果比较，在同时获得较大发射电流和发射电流密度方面具有较大优势。该阴极可以满足部分大功率真空电子器件的需求。