本论文主要围绕碳纳米管场发射从特性到应用的研究展开。首先通过对碳纳米管在高真空加热时的场发射研究发现了其在我们观察到的电压范围(2.7×10~7V/cm—6.6×10~7V/cm)与Fowler-Nordheim(FN)理论相当符合;通过分析不同加热状态的发射特性指出了常温观察到的与FN理论的偏离是气体吸附的影响;进一步比较了在不同加热温度下碳纳米管的场发射IV和FN曲线,揭示了发射电场导致吸附以及发射电流热效应导致脱附的吸附随发射状态变化的规律。接着采用热发射法测量了碳纳米管丝的逸出功,发现其与石墨比较接近为4.6eV左右;并采用微型电极结构测量了单壁、双壁和多壁管侧壁的逸出功,观察到多壁碳纳米管侧壁具有比碳纳米管丝高的逸出功;同时还发现了碳纳米管不同部位逸出功不同的实验证据,据此可以推断出碳纳米管端部要比侧壁的逸出功低。通过以上对碳纳米管发射特性的研究,从实验上证实了其仍然符合FN理论,并发现了碳纳米管逸出功与石墨接近,由此可知对其发射最主要的影响因素是特殊结构导致的电场增强效应。所以接下来为实现对发射特性的控制,论文对发射体形貌、结构等影响电场分布的因素进行了研究。首先对碳纳米管发射体的形貌进行了控制。基于丝网印刷法发射体制备工艺,发明了喷洒的制备方法,简化了后处理工艺,得到了较好的发射性能;采用反粘的方法制备了碳纳米管阵列底部构成的发射体,提高了其表面均匀性;对于直接生长的碳纳米管阵列对其表面进行了压印的后处理,增强了发射能力,分析指出这种增强是压印后图形的边缘效应所致。论文最后提出了平面型碳纳米管场发射结构。通过对以碳纳米管丝作为发射体的这种平面型发射结构原型的实验,验证了其可行性,并发现了场发射电子导致的二次电子现象;结合平面微加工工艺和碳纳米管拉膜技术,成功制备了微型的平面发射结构,在100V以下观察到了场发射现象。