场发射阴极是真空微电子器件的核心技术，其在显示技术及微波功率放大器等方面具有广泛的应用前景。薄膜型场发射阴极具有工艺简单、寿命长及易于集成等优点，然而相对较高的阈值电场与较低的电流密度限制了其实际应用。本论文旨在从理论与实验两方面共同开展研究：理论上，通过氮化物薄膜型场发射阴极结构设计及其场发射性能预测，探索了新型高性能场发射阴极及其场发射增强机理；实验上，在理论设计的指导下，制备了满足高性能场发射器件应用要求的氮化物纳米薄膜场发射阴极并验证其场发射增强机理。取得的重要研究进展如下：　　1.基于密度泛函理论第一原理计算，在全面考虑衬底结构及其相关效应基础上，重点研究了单层氮化物纳米薄膜厚度调制对其场发射性能的影响。研究结果表明：仅通过几纳米的层厚调制可以使表面功函数有效降低，这源于表面、界面电荷转移以及界面态的综合作用。揭示了氮化物纳米薄膜厚度影响场发射性能的物理本质，发现了通过厚度调制可以使场发射电流密度获得数量级的提高。　　2.通过搭建合适结构模型，研究了多层量子势垒/阱结构对其场发射性能的影响。研究结果显示：基于势垒/阱宽度、势阱深度、势垒/阱能带形状的调制，实现了场发射性能的增强及电子发射特性的调控，并发现了场发射电流共振Ⅰ-Ⅴ特性。进一步分析场发射电子能谱特性与量子结构的相互联系，探明了量子结构影响场发射的物理实质，为多层量子结构场发射阴极器件的应用提供了理论指导。　　3.在实验上系统制备了不同晶体微结构以及膜厚的单层GaN纳米薄膜，探明了晶体微结构对场发射性能的影响，并验证了纳米薄膜厚度对场发射性能的作用机理。结果显示：GaN纳米薄膜中晶粒的长大及其含量的增加增强了场发射过程中的电子供给，有效提高了场发射性能；而通过膜厚调控取向GaN纳米薄膜，实现了电子弹道输运特性和极化效应的耦合，达到了场发射器件应用所需求的性能。　　4.系统制备了多层量子势垒/阱结构氮化物场发射阴极，研究了量子结构对场发射性能及电子发射特性的影响。结果表明：和单层薄膜相比，多层量子结构增强了电子共振隧穿特性，有效促进了场发射性能的提高；将量子增强结构同几何增强结构相耦合，能够实现场发射性能的非线性提高。实验结果验证了量子结构调控场发射的理论结果，并进一步发展了多层量子结构增强场发射新型制备技术，所制备的场发射阴极可应用于大电流、高功率真空纳电子器件。