ZnO和金刚石是非常重要的宽带隙半导体材料,具有优异的物理化学性质。将ZnO和金刚石结合起来制备的新型复合结构,在场发射显示器冷阴极材料、半导体异质结及表面声波学器件等领域被广泛研究。通过把ZnO沉积到金刚石基底上,可明显提高ZnO及金刚石的场发射性能。因此,本文采用水热法把ZnO分别沉积到自支撑金刚石膜和纳米金刚石基底上,改变生长时间、反应物浓度、金刚石基底及对ZnO进行B掺杂,系统的研究了上述条件对ZnO生长形态和场发射性能的影响,以期望改进ZnO及金刚石的场发射性能。采用场发射扫描电子显微镜、掠入射X射线衍射仪、激光拉曼光谱仪、光致发光光谱仪对样品的微结构进行表征;采用高真空场发射测试研究样品的场发射特性。系统的研究了不同反应时间、不同反应物浓度、金刚石晶粒尺寸和ZnO掺杂对ZnO/金刚石复合结构的微结构和场发射性能的影响。主要研究内容及结果如下:(1)以自支撑金刚石膜为基底,水热反应时间分别为1.5 h、3 h、6 h和8 h,制备ZnO纳米棒。并与在相同条件下,制备的ZnO纳米棒/Si复合结构进行比较。结果表明,在自支撑金刚石膜上制备的ZnO纳米棒出现了尖端现象,并且具有更好的结晶度、更高的纯度与更少的结构缺陷。反应时间为6 h,ZnO纳米棒/金刚石复合结构中,ZnO纳米棒排列更加整齐均匀,其长径比最大,并出现了尖端现象,产生大量电子隧穿,降低阈值电压,显著改善了 ZnO纳米棒的场发射特性。反应时间为6h,在自支撑金刚石膜基底上生长的ZnO纳米棒的开启电场为6.8 V/μm,在11.9 V/μm的电场下,发射电流密度为0.20 mA/cm2。(2)在纳米金刚石基底上生长ZnO纳米棒,反应物浓度分别为O.1 M、0.05 M、0.025 M和0.01 M。系统研究了纳米金刚石基底和反应物浓度对ZnO纳米棒的微结构和场发射性能的影响。结果表明,纳米金刚石基底可以明显提高ZnO/金刚石复合结构的导电性,更有利于电子从金刚石导带传输到ZnO导带。此外,纳米金刚石晶粒尺寸更小,含有更多晶界,更有利于场发射过程中电子的转移。反应物浓度为0.025 M,在纳米金刚石基底上生长的ZnO纳米棒品质更好,通过计算得出此时的场增强因子可达5277.7,其开启电场为2.9 V/μm,在8.7 V/μm的电场下,发射电流密度为0.48 mA/cm2。(3)反应时间分别为1.5 h、3 h、6 h和8 h,在纳米金刚石基底上生长B掺杂的ZnO薄片。系统的研究了不同反应时间对ZnO薄片的表面形貌、晶粒品质及场发射性能的影响。B原子的掺杂,抑制了 ZnO沿着[0001]方向生长,从而形成了二维ZnO结构—ZnO薄片。纳米金刚石导电性好、晶粒小、晶界多,ZnO薄片的形貌有利于电子的传输。在场发射过程中,电子传导率大,使得ZnO薄片/纳米金刚石的场发射性能显著提高。反应时间为8 h,在纳米金刚石基底上制备的ZnO薄片的开启电场可低至2.3 V/μm,在4.0 V/μm的电场下,发射电流密度可达到0.53 mA/cm2。