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场致电子发射冷阴极电子源在真空电子器件中有着重要的应用前景。一维氧化锌纳米材料有望成为一种比较理想的冷阴极材料，因此受到了人们广泛的关注。一维氧化锌纳米材料的合成方法主要有气相法和液相法两大类。近几年发展起来的低温溶液法合成氧化锌纳米线由于具有合成温度低、成本低廉、可大面积制备等优点，成为一个研究的热点。但是，溶液法合成的氧化锌纳米线阵列普遍存在密度过高、高径比偏小等问题，导致其开启电场和阈值电场偏高。本博士论文立足于提高氧化锌纳米线的场致电子发射性能，促进氧化锌纳米线在场发射冷阴极电子源上的应用。基于上述目的，我们按照“材料的可控制备—性能表征—性能优化—器件集成”这样一条思路来开展研究工作，取得的主要研究成果如下：
1、采用低温水溶液法合成了一系列具有新颖形貌的氧化锌纳微结构，包括一维纳米线(尖)，二维纳米盘和三维亚微米齿轮等。论文从晶体生长的角度分析探讨了氧化锌三维亚微米齿轮的形成机理，认为这类特殊三维结构的形成机理包括+c轴向的生长增强效应以及二次成核效应。
2、发展了一种有效控制氧化锌纳米线密度的方法。我们采用一层超薄的氧化锌薄膜作为纳米线生长过程中的种子层，研究发现当种子层厚度由1.5 nm增加到3.5 nm时，其相应的纳米线密度变化量接近6个数量级。随着纳米线密度的增加，纳米线的高径比有所增加。同时，研究发现了两个种子层临界厚度：当种子层厚度小于1.5nm时，在衬底上没有纳米线生长。当种子层的厚度大于3.5nm时，继续增加种子层的厚度，纳米线的密度和高径比变化范围非常窄。我们研究了其背后的物理机制，认为生长溶液对种子层的刻蚀是引起其密度变化的原因，而溶液中局域锌离子浓度的差异是引起高径比变化的原因。我们接着研究了密度和高径比的变化对氧化锌纳米线场发射特性的影响，测试结果表明，不同密度的氧化锌纳米线的场致电子发射性能差异较大。实验表明当氧化锌纳米线的密度在～109/cm2、相应的高径比在26-28的时候，其具有最佳的场致电子发射性能，其开启电场为7.1 V/μm。
3、发明了一种简单而有效的控制氧化锌—维纳米结构形貌的方法。通过简单地降低生长溶液中锌离子的浓度，我们实现了氧化锌一维纳米结构形貌从纳米棒状—纳米笔状—纳米针尖状的转变。我们分析研究了其背后的物理机制，认为溶液中锌源的耗尽是导致针尖形貌形成的原因。接着我们研究了不同形貌的氧化锌一维纳米结构的场致电子发射性能。场发射测试表明，形貌对氧化锌一维纳米结构的场致电子发射特性具有较大的影响，氧化锌纳米针尖具有最优化的场发射性能，其开启电场低至4.2 V/μm。
4、我们进一步探索了带控制栅极的氧化锌纳米线场发射器件阵列的制作。我们结合自上而下的微纳加工技术和自下而上的纳米材料生长技术，制作了带栅极的氧化锌纳米线场发射器件阵列，获得了相关的器件制作工艺技术，包括：(i)栅孔中氧化锌纳米线的定位制备；(ii)栅孔中纳米线的密度控制。器件测试结果表明通过集成控制栅极，器件可以实现较低电压下的驱动(几十伏特到一百多伏特之间)。
5、我们发明了一套“自对位”的微加工工艺流程，实现了单根氧化锌纳米线阵列的制作。方法的创新之处在于采用普通的微米光刻技术实现了具有纳米尺度的种子点阵的制作，从而不需要昂贵的纳米光刻技术。该方法具有制作成本低，适合商业化应用等优点。