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碳纳米材料/结构由于具有丰富且独特的物理、化学性能及良好的生物兼容性,在电子信息、新能源、新材料和生物医药等领域得到了广泛应用。作为两种典型的碳纳米材料/结构,直立石墨烯纳米片大的高宽比和纳米金刚石薄膜低/负的电子亲和势使它们具有良好的场发射性能,可用于新一代冷阴极场发射器件中。目前,它们一般是通过基于气相碳源的等离子体增强化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition,CVD）或热丝CVD生长获得,存在设备和维护成本高、操作控制系统复杂、气相碳源和掺杂源使用、存储的安全性以及规模化制备等问题。针对上述问题,我们开发了基于管式炉中的热化学生长技术,通过调节前驱体成分并优化实验参数,实现了本征及掺杂的直立石墨烯纳米片阵列和纳米金刚石薄膜的制备,并对其场发射性能进行了研究。本论文的主要内容包括:1.简要介绍了直立石墨烯纳米片和纳米金刚石薄膜的研究背景和现状,归纳总结了它们的主要制备方法及功能特性,阐述了本论文的研究意义、内容及测试与表征方法。2.以甲烷（CH4）气体为碳源,通过优化实验参数,包括催化剂预处理温度、生长温度、时间和气压等,实现了直立石墨烯纳米片阵列在镀镍的不锈钢片上的均匀生长,并对其生长机制进行了解释。场发射测试结果表明,利用热CVD制备的直立石墨烯纳米片阵列表现出了良好且稳定的场发射性能,开启场强（定义为电流密度为0.01 mA/cm2对应的电场强度）约为4.5 V/μm,场增强因子约为1802。3.为了进一步优化直立石墨烯纳米片阵列的制备,以葡萄糖为碳源、尿素为掺杂源,通过调控不锈钢片的表面粗糙度、生长温度和时间等,在不锈钢片上实现了氮掺杂直立石墨烯纳米片的图案化生长。研究发现,直立石墨烯纳米片的图案化生长源于经粗糙化处理的不锈钢片表面相较未处理区域更多的催化和成核生长位点。场发射测试结果表明,适当的氮掺杂（浓度约为1.86 at.%）可显著提升直立石墨烯纳米片阵列的场发射性能,实现了低至2.6 V/μm的开启场强（对应的电流密度同上）,场增强因子高达9428;在7 V/μm的电场强度下,可保持6.5 h以上的稳定场发射。4.进一步,我们利用管式炉中的热化学生长技术,以葡萄糖为碳源、尿素为掺杂源,通过调控催化剂薄膜的厚度、生长温度和时间等参数,实现了本征和氮掺杂纳米金刚石薄膜的制备。与传统的制备方法（如PECVD等）相比,该方法具有前面提及的优势之外,还具有无需预置籽晶的优势。研究发现,当不锈钢片表面的镍薄膜厚度为10 nm时,生长的纳米金刚石薄膜的结晶程度最高。场发射测试结果表明,与本征纳米金刚石薄膜的场发射性能相比,适当的氮掺杂（浓度约为1.95 at.%）有助于改善纳米金刚石薄膜的场发射性能,实现了低至3.6V/μm的开启场强（对应的电流密度同上）;在6 V/μm的电场强度下,可保持6.5 h以上的稳定场发射。5.总结了本论文的主要研究工作及相关研究成果,并对直立石墨烯纳米片和纳米金刚石薄膜的发展进行了展望。