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碳纳米管具有许多优秀的特性，其中场致电子发射特性一直吸引着大量实验和理论研究的兴趣。优越的场致电子发射特性使碳纳米管具有广泛的潜在应用前景，例如它可以用作电子发射源、原子探针、气体探测器等。对场致电子发射的各种可能应用，深入认识碳纳米管在外加电场作用下的电子和电场分布以及电子的发射机制是至关重要的。我们以实验尺度的真实碳纳米管为研究对象，对其原子尺度的原子和电子结构进行量子力学模拟，目的是发掘相关物理规律，为改善碳纳米管场致电子发射特性提供理论指导。
碳纳米管的长度一般达微米量级，包含105以上个原子。对一个这样的体系进行模拟研究，给计算方法提出了极大的挑战。碳纳米管发射电子时，电子是在碳纳米管尖端通过量子隧穿透射出去，而靠近基底部分的碳纳米管主要通过富余电荷的库仑势影响电子的发射。根据碳纳米管场致电子发射的这个特点，我们采用量子力学／经典力学耦合方法，把碳纳米管分成量子区和半经典区两个部分。我们还引入分而治之方法，把量子区分割成一个个较小的体系，实现了对长度在微米量级的碳纳米管场致发射的模拟研究。
作为这种强有力方法的应用，我们研究了(5，5)单壁碳纳米管阵列的结构参数对发射性能的影响。研究结果表明，当管间距小于管长时，外加电场被严重地屏蔽。跟最大电流密度对应的最优管间距大概等于2—3倍管长，它们的具体比值跟外加电场和碳纳米管的结构有关。碳纳米管阵列的屏蔽效应可以用屏蔽因子描述。我们发现，屏蔽因子是管间距与管长比值的指数衰减函数，基本上跟外加电场无关，它反映的是碳纳米管阵列的本征特性。对于给定的管长，当屏蔽因子大于0.05时，管阵的场增强因子随屏蔽因子的增大而显著地减小。我们的模拟结果表明，为了增大管阵的发射电流密度，管阵的管长需要大于某一特定值。然而管长足够大时，再增加管长就不能明显地改善管阵的发射性能。
我们还详细地研究了(5，5)单根碳纳米管尖端-BH、-NH和-O三种吸附结构的结合能、真空势垒、发射路径和电流一电场特性。研究结果表明，跟-O的吸附结构相比，-BH和-NH两种吸附结构显著地压制真空势垒，从而获得更大的发射电流强度。从吸附结构的结合能看，-BH和-NH两种吸附结构也要比-O和-H两种吸附结构稳定。我们的模拟结果还表明，电子出射的最可几路径跟尖端吸附结构有关，并依赖于外加电场。我们通过碳管尖端电偶极子模型解释了模拟结果，总结出了碳纳米管发射性能与吸附原子电子亲和势的关系。