本论文主要研究了平面超薄类金刚石薄膜(diamondlikecarbon，DLC)、顶端定位沉积有DLC薄膜的硅微尖锥(简称为DLC尖端)阵列、单根碳纳米管阵列、有序单晶硅纳米线阵列这四种新型场致电子发射材料及结构的制备、场致电子发射特性、场致电子发射物理机制以及基于上述材料的场发射器件的应用基础研究。目的是探讨如何把新型低维冷阴极材料应用到大面积衬底上有序排列的场发射器件结构上，研制新型真空微电子器件。上述研究，可以为理解超薄类金刚石薄膜、碳纳米管和单晶硅纳米线在特定尺度和特定结构下的场致电子发射机制提供了实验和理论补充，对促进上述材料在真空微纳电子器件中的应用具有重要的意义。 本论文主要有如下三点创新：■发明了一项微尖锥顶端定位镀膜技术，首次研制出类金刚石薄膜尖端真空微电子器件阵列。 采用微尖锥顶端定位镀膜技术、硅尖锥表面净化工艺和超薄类金刚石薄膜可控制备方法，首次研制出DLC尖端阵列场发射器件。实验结果证明DLC尖端场发射器件阵列是一类具有高发射电流密度、可低压驱动的冷阴极电子源。我们还探讨了薄膜顶端对硅微尖锥阵列场发射的影响及其物理机制。 ■发明一种制备单根碳纳米管阵列的方法。首次在实验上测量到单根碳纳米管的发射电流密度可达1011A/m2，并揭示了位于硅尖锥顶端的单根碳纳米管存在两种限制其场发射电流的物理机制。 论文发明了尖锥顶端一维纳米材料定位生长技术，利用等离子体化学汽相沉积法，实现了硅微尖锥顶端单根碳纳米管阵列的研制。发展了一种原位场致电子发射特性和直流电特性表征实验方法，系统地研究了不同直径的碳纳米管在极限发射电流状态下所经历的物理过程。确认了所研制的碳纳米管与硅尖锥衬底之间为欧姆接触。首次在实验上测量到单根碳纳米管的发射电流密度可以达到～1011A/m2，与碳纳米管可承载的最大直流电流密度1012A/m2相近。实验还首次揭示了位于硅微尖锥顶端的单根碳纳米管存在两种限制其发射电流的物理机制，即碳纳米管自发启动击穿和硅微尖锥衬底熔化。 ■采用自上而下(topdown)的方式，用硅材料微加工技术，首次研制出带控制栅极有序单晶硅纳米线真空微电子器件阵列。 论文发明了一种结合碳化硅纳米颗粒的自组装制备和氢气等离子体刻蚀的新方法，研制出高密度直立有序单晶硅纳米线阵列。进而实现在带控制栅极器件结构中定位制备硅纳米线阵列，首次研制出带控制栅极硅纳米线真空微电子器件阵列。有序的硅纳米线阵列及器件具有优越的场致电子发射特性。我们提出硅纳米线表面覆盖的非晶硅薄膜中极小的电子有效质量是其具有优越电子发射性能的主要原因，纳米线与衬底间具有良好的电接触是其具有大电流发射能力的关键。