场发射是各种真空微电子器件的基础,而碳材料特别是碳纳米管及其石墨具有优越的场发射性能,自1991年饭岛发现碳纳米管以来,因其独特的结构特征(大的直径比,小的曲率半径,好的热稳定性,优良的机械强度),在外加电压下呈现出优越的场发射特性,可应用于场发射阴极和隧道显微镜针尖,平板显示器,微波功率放大器等方面.丝状阴极还可以用于制作新型的冷阴极荧光灯,相对于其它光源,这种场发射真空荧光灯具有高亮度,环保,低成本等优点。除了碳纳米管外,人们最先发现碳材料中具有场发射性能的是金刚石,接着是碳纤维。2004年人们又发现了一种二维石墨烯结构,它是组成零维富勒烯球和一维碳纳米管以及三维石墨的基本结构单元。由单层石墨原子组成的无限大平面,其基本单元为六边形网状结构,碳原子间由sp2杂化而成,由于它是形成其他碳材料的基础,故其电子传输性能和能带结构尤为重要。本文立足于对碳族材料场发射性能的研究,从石墨烯晶体结构出发,采用Castep软件模拟其能带结构和态密度分布。然后对其卷曲而成的各种结构的一维碳纳米管进行能带和态密度计算,找出其与石墨烯能带结构的联系,同样对其叠加而成的三维石墨进行能带模拟,观察其能带和态密度分布;同时,从实验入手,采用CVD法制备了一种石墨与碳纳米管相结合的新型形貌的场发射体,场发射扫描电镜显示这种材料呈现出片状结构,边缘具有突出尖端,透射电镜显示这种突出尖端是由碳纳米管组成的,故我们把这种材料命名为分形石墨-碳纳米管,简称FGNT;并采用二极管结构对其进行电流电压和场发射电流稳定性能测试,发现其拥有良好的场发射性能:低的开启场和阈值场,大的场增强因子,和较稳定的场发射电流。接着探讨了测试环境对其场发射性能的影响:表面态对FGNT场发射性能影响很大,突出尖端主要影响开启场和阈值场,以及场发射电流稳定性;表面吸附的气体会与碳原子的悬挂键相结合形成新的共价键,影响碳纳米管的能带结构和态密度分布,同时采用Castep软件对碳管表面分别吸附有水蒸汽,氢气和氧气的情形进行计算模拟,发现吸附有水蒸汽时费米能级处态密度增大,功函数降低,有利于电子的发射,吸附有氧气时,碳管表面形成C-O键,其功函数增大,不利用电子的发射;吸附有氢气时,形成C-H键,对碳管的能带结构和功函数影响不大,找出影响碳材料场发射的因素,从而有利于我们利用和控制这些因素来提高其场发射性能,对其应用具有重要的意义。