基于类似阴极射线管显示器(CRT)成像原理之上的场致发射(FED)显示器,除了比等离子或液晶电视更轻薄,能量消耗比等离子或液晶小得多之外,还具备了CRT电视的高亮度、高对比度、高分辨率、高响应速度和宽视角的优势,从任一角度都可看到清晰图像,而且没有CRT的电磁辐射和X射线辐射,成本也不高。场致发射显示器具有如此多优点,却至今没有大规模应用的最主要原因就是还没有研制出一种理想的冷阴极材料,因此,冷阴极材料的研究一直受到人们的广泛关注。纳米晶体硅(nc-Si)场致发射冷阴极作为全硅显示器件,与微电子工艺兼容,可集成到大规模集成电路中,是显示器件的一个重大突破,被认为是最有前途的电子发射极。本文介绍了几种常见的场致发射冷阴极材料的研究情况,阐述了场致发射的理论基础。研究了纳米硅薄膜的一些制备方法,并利用激光烧蚀沉积和高温快速退火相结合的方法,在n-Si(4-5Ω·cm)衬底上生长了400nm厚的纳米硅薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)以及原子力显微镜(AFM)等测试仪器对制备的薄膜进行了全面的表征,发现制备的纳米硅量子点排列紧密、尺寸均匀,且具有很好的单晶结构,证明激光烧蚀沉积的制备工艺比较成熟,可以很好的控制纳米硅颗粒的尺寸和分布。通过对纳米硅冷阴极场致发射特性的测试,提出了纳米硅/单晶硅同型突变异质结二极管电子传输模型和场致电子弹道发射的理论模型。最后,采用ANSYS有限元计算程序,对纳米硅量子点薄膜内部的电场强度进行了模拟计算,研究了纳米硅量子点半径、纳米硅薄膜厚度、晶界材料的介电常数和晶界厚度与纳米硅薄膜内部电场强度的关系。计算结果表明,当量子点半径小于10nm时,电场强度几乎不随半径改变;当纳米硅薄膜的厚度增大时,电场强度会反比例减小;当晶界厚度增大时,量子点的尖端电场会减小,而量子点电场和晶界电场几乎没有变化;当晶界材料的相对介电常数减小时,量子点的尖端电场和晶界电场会增大,而量子点电场会减小。