场致发射冷阴极器件因其具有功耗低、电流密度大、无需加热、瞬时开启等优点，近年来受到了人们的密切关注。它们在平板显示、大功率高速微波器件、X射线管等领域有着广泛的应用前景。氧化锌等金属氧化物材料因具有可与CNT相媲美的低开启电压、高机械强度、抗氧化、耐高温等特点，成为实用场发射电子源的有力候选者。目前学术界对纳米材料场发射性能的研究主要集中在降低开启电压，提高场发射电流这一方面。然而事实上，以实用为目标的阵列场发射材料还应当具备发射点均匀、发射电流稳定、能够维持长时间发射等特点。基于上述背景，本论文的研究工作致力于在降低材料开启电压的同时，维持发射的均匀和稳定性，并通过对比揭示性能差异的来源与物理内涵。由于氧化锌是结构与性质最为丰富的纳米材料之一，本文的研究重点是氧化锌纳米结构阵列的可控制备、生长机理及场发射性能改善。 首先通过对在氧化锌薄膜、硅和黄铜基底上制备出的氧化锌纳米结构的场发射性能进行对比，发现采用黄铜基底有利于降低基底与纳米材料之间的电阻，从而可以降低开启电压并增长场发射电流维持的时间。对失效机理进行了总结，发现场发射的失效主要来源于弧光放电等外界影响，以及由于静电力和欧姆热效应共同作用导致的纳米材料的断裂或脱落。 通过上述研究发现，为了保证发射的稳定性和持久性，必须降低单根纳米材料的长度，增大其表面积和截面积；同时为了维持较高的场增强因子，需要降低发射体尖端的曲率半径。因此在实验中制备出了针状或塔式氧化锌纳米结构，通过比较不同尖端阵列的场发射性能，证明了具有最小曲率半径的发射体具有最低的开启电压。在此基础上，为了进一步降低发射体密度从而降低屏蔽效应，首次制备出了带有六角星型底座的纳米针阵列，场发射性能研究表明这种阵列同时具有低开启场强和稳定的发射电流，避免了常见的纳米线阵列存在的密度过高和容易发生断裂或脱落的缺点。 为了更多地揭示这些材料场发射的物理内涵，在SEM中对单根氧化锌纳米针进行了原位场发射实验，并观察到了纳米针在尖端缺陷处的折断现象。在黄铜针尖上直接制备出了氧化锌纳米线并在FEM中观察其场发射像。 在硅金字塔基底上制备出了氧化锌铅笔型阵列，发现不平整的基底有利于减小场屏蔽效应、增大整体场增强因子从而降低开启电压。此外也对氧化铜、氧化钨、氧化钼等金属氧化物纳米材料进行了制备和场发射性能研究，得到了一些发射性能良好的结构。