石墨烯是一种sp~2轨道杂化组成的六方晶格的单原子层厚度的二维材料。它拥有优异的导电性、导热性、高比表面积、高化学稳定性等性质。这些性质使得石墨烯在新能源电池、储氢材料等领域拥有广泛地应用前景,因而被大量地研究。同时,石墨烯还具有高长径比、高电子迁移率、高透光率等性质,这使得石墨烯成为良好的场发射阴极和栅极材料。通常,石墨烯都是在平面衬底上制备或转移到平面衬底上的。这样获得的石墨烯在同一片层上,保证了石墨烯的结构完整,然而平面石墨烯单层面积较大,导致局部电场及电流密度都受到影响,降低了石墨烯的场发射性能,成为石墨烯在场发射阴极应用存在的问题。同时,平面石墨烯转移过程也较为脆弱,作为栅网较容易损坏,而且石墨烯本身具有场发射性能,这些又为石墨烯作为场发射栅极的应用带来了挑战。本论文针对石墨烯作为场发射阴极和栅极存在的问题,提出了在镍海绵基底上制备石墨烯的方法,获得三维结构的石墨烯,解决了石墨烯在作为场发射阴极时遇到的局部电场较低和电流密度较小的问题,并对结果进行了优化,获得了较好的场发射性能。同时也解决了石墨烯作为场发射栅极时比较容易损毁,不容易安装和自身场发射带来的栅极漏电流增大的问题,并获得了较好的电子透过率和稳定性。本文主要的工作内容有:(1)采用CVD法在镍海绵基底上制备石墨烯获得三维结构石墨烯海绵,同时通过XRD、Raman Spectra和SEM等表征方式研究了不同反应时间和腐蚀时间情况下,制备的石墨烯海绵的结构和形貌特征。研究发现反应时间与石墨烯的层数呈正相关,并发现石墨烯生长较为均匀,同一片材料不同位置的石墨烯层数没有明显区别。另外,研究也发现随着腐蚀时间的增加,可以观察到片状褶皱型的石墨烯。(2)采用二级结构测试了石墨烯海绵的场发射性能,主要研究了不同腐蚀时间正反面和基底孔径大小对石墨烯海绵场发射性能的影响,并对石墨烯海绵的场发射性能进行了优化与改进,同时对于场发射稳定性进行了实验。实验结果获得了低于1V/μm的开启场强和接近30000的超高场增强因子。同时发现背面的场发射性能明显不如正面的结果。基底孔径的研究结果表明基底孔径适中时,石墨烯海绵场发射性能最好。之后通过修饰金纳米颗粒的方式改进了石墨烯海绵的场发射特性,研究结果发现修饰金纳米颗粒可以极大提高石墨烯海绵的场发射性能,最大电流密度提升3倍,场增强因子超过100000。最后,场发射稳定性实验表明石墨烯海绵的稳定性波动较为明显,但是大致维持在10%左右,整体波动水平尚可。(3)采用三级结构测试了石墨烯海绵的栅极调制特性,通过仿真研究了栅极电压和阴栅间距与电子束调制的关系并分析了原因。之后研究了栅极电压与电子透过率之间的关系,研究发现栅极电压越高,栅极电子透过率越低,并且在电子透过率接近49%时达到平衡。最后研究了栅极电流的稳定性,阳极电压与阳极电流之间电流变化表明石墨烯海绵栅极的电流稳定性较好。