碳纳米管冷阴极具有优异的场致电子发射特性，在电子源应用方面具有很好的前景，被认为是很有希望取代热阴极的材料之一。 本博士论文首先回顾了冷阴极材料特别是碳纳米管冷阴极制备技术的发展，并综述了碳纳米管场致电子发射机理研究的最新进展，进而重点介绍在不锈钢棒衬底和玻璃衬底上制备适合器件应用的碳纳米管冷阴极，并引入后处理技术提高阴极发射均匀性，最后介绍所制备的碳纳米管冷阴极在荧光灯、电离真空规管和碳纳米管场发射显示器中的应用。本论文的主要成果可概述如下： 1.针对不同器件应用要求，通过优化生长条件，在不同衬底上实现可控制备具有一定开启电场和阈值电场的碳纳米管冷阴极。以乙炔为碳源时，在棒状不锈钢衬底上制备的碳纳米管冷阴极最小开启电场和阈值电场分别为1.2V/μm和4.0V/μm，并可以实现在1mA/cm2的电流密度下12小时内波动小于1％。以甲烷为碳源时，在棒状不锈钢衬底上制备的碳纳米管冷阴极最小开启电场和阈值电场分别为1.3v/μm和1.75V/μm，并且能够在3mA/cm2的电流密度下保持20小时内波动小于1％。同时在玻璃基板上低温生长碳纳米管工艺中，发展了低温生长碳纳米管后直接进行氢气后处理的技术，大幅提高碳纳米管冷阴极的场致电子发射均匀性。 2.研制出采用棒状碳纳米管冷阴极的全封装柱型冷阴极荧光灯。发展了相应的制作工艺，绿光荧光灯和白光荧光灯的效率分别达到37lm/W和21lm/W。研究了封装对荧光灯的阴极和阳极荧光屏的特性影响，发现阴极的场致电子发射均匀性和稳定性均达到荧光灯的应用要求。 3.研制出采用棒状碳纳米管冷阴极的冷阴极电离真空规管。当真空度在3×10-5～4×10-7Torr的范围内，冷阴极电离真空规管的离子电流与压强呈现良好的线性关系。冷阴极电离真空规管的灵敏度约3.6Torr-1，与其他研究小组的水平相当。 4.研制出采用碳纳米管冷阴极的全封装场发射显示器原型器件。提出了一种利用绝缘层束缚碳纳米管的平面栅极场发射显示器结构，该结构既可以防止无序生长的碳纳米管导致阴极和栅极导通，又能够减少电子束的发散。提出了复合电极结构保护电极的方法，可以确保金属电极在碳纳米管生长后保持较好的导电性。通过引入平坦化工艺解决平面栅极结构中绝缘层容易击穿问题，提高了器件寿命。