低温、大电流、高稳定性、长寿命的阴极一直是新型阴极研究追求的目标,也是未来高功率、高频率真空器件发展的必然要求。为了进一步探究覆膜阴极表面态及其影响发射特性的机制,本文在课题组前期研究的基础上,利用仿真软件开展阴极表面结构建模和仿真分析,研究表面态对发射性能的影响,提出并仿真分析了新型石墨烯覆膜阴极的表面态和功函数,并实验验证了石墨烯覆膜阴极的表面态性质和发射性能。内容包括:首先介绍了不同阴极的特点,并对石墨烯材料的特性、制备、转移及表征方法和其在电子器件中的应用进行了总结,对常用的第一性原理仿真软件进行了介绍,并对阴极表面功函数的仿真相关研究进行了总结,对阴极功函数仿真计算的相关理论进行了介绍。仿真方面,给出了阴极表面仿真计算的相关流程,并对纯金属晶体和钡钨阴极进行了表面态建模与仿真计算,分析了其表面态性质和功函数、能带结构与态密度。在覆膜阴极表面态分析的基础上,提出了两种石墨烯覆膜阴极新型阴极结构,并对其阴极表面态进行了建模与仿真分析,仿真结果表明所提出的石墨烯覆膜钡钨阴极的表面功函数值可低至1.58e V,石墨烯覆膜钨阴极的表面功函数也可低至1.746e V。实验方面,针对所提出的石墨烯覆膜钨基热阴极和石墨烯覆膜钡钨阴极分别制备了阴极样品,给出了石墨烯覆膜阴极及其二极管的制备流程,并制备了石墨烯覆膜钡钨阴极二极管,通过实验测试和分析了二极管的发射性能。实验结果表明,我们制备的石墨烯覆膜钡钨阴极的表面功函数可低至1.16e V,最大不超过1.56e V,远小于B型阴极的表面功函数。实测结果与仿真结果相近,初步验证了石墨烯覆膜钡钨阴极表面态建模的正确性,和基于表面态建模仿真的阴极设计与发射特性研究方法的有效性。本文工作对基于表面态建模和仿真分析的新型阴极材料结构设计具有较好的借鉴意义,所提出并制备的石墨烯覆膜阴极也有望用作未来高发射效率、低温和/或高电流密度的一种电子源,相关工作对真空电子器件的研究和发展具有较好的促进作用。