电子源作为真空器件的核心元件,在通信、军事、医疗、安检等各个领域被广泛应用,如雷达探测中的行波管、医学诊断中的X射线管、物体形貌成像中的电镜等皆需要电子源。其中场发射冷阴极电子源具有快速响应、高电流密度、无需加热等特点,而且能够做到小型化、高效率和集成化,进而使得真空器件小型化和集成化成为可能。近年来提出的纳米真空沟道结构也是一种场发射冷阴极,其极小的电极间距使得工作电压低,且电子更容易实现无碰撞输运,这提高了器件工作稳定性。随着微纳加工技术的不断发展,纳米真空沟道结构的制备使电子源具备小型化和集成化的潜力。本文结合数值模拟仿真方法优化纳米真空沟道结构的场发射性能,且采用微纳加工工艺制备了基于金和碳纳米管阴极的纳米真空沟道结构,并设计了纳米真空沟道电子源的结构模型,同时根据电子光学静电透镜的基本性质进行了电子光学系统设计。取得的成果如下:（1）利用仿真模拟软件对器件的阴极形貌和栅极结构进行优化设计,以提高发射电流,减小开启电压。采用高精度的图案化电子束光刻技术制备了真空沟道长度为100 nm的金纳米真空沟道结构,并通过纳米机械手在真空条件下进行场发射测试。结果表明,器件的开启电压降低至约15 V,开启电场强度约为150 V/μm。（2）通过旋涂法将稳定性和发射性能更好的碳纳米管转移至金电极上,制备了基于碳纳米管阴极的纳米真空沟道结构。测试结果表明,碳纳米管的场发射性能高于金电极,其开启电场强度明显降低,分别获得了5.1 V/μm和15.4 V/μm的开启电场强度。碳纳米管作为纳米真空沟道结构的发射材料,提升了场发射性能,使其有望在未来的新型器件中取得重要的应用。（3）利用仿真模拟方法对纳米真空沟道电子源及其电子光学系统进行了研究。以对称式纳米真空沟道结构为电子发射区,根据电子光学理论设计了单透镜聚焦电子光学系统,对电子束进行调制,优化了阳极上的电子束束斑大小,以提升电子束的品质。此外,测试了纳米真空沟道电子源,在真空沟道上方悬空的阳极上收集到电子,表明了纳米真空沟道结构应用于电子源的可能性。进一步制备了对称式纳米真空沟道结构,在阳极电压为350 V、栅极电压为47 V时,阳极电流大于15 nA,有效电子利用率超过24%。