近年来，对场致电子发射器件的研究主要趋向于实现大面积制备、低电压驱动、易实现器件集成等方面。因此，对场发射阴极材料及器件制作工艺提出了新的要求。对于材料，人们希望其具有场发射性能优越、结构有序、与衬底之间接触良好、制备工艺简便、能够实现大面积制备等特点。而对于器件制作工艺，则希望它能和传统集成电路工艺兼容，便于以后和CMOS集成。虽然目前已经发现了多种场致电子发射材料，但大多都难以满足上述要求。在众多场致电子发射材料中，硅一维纳米材料具有优越的场致电子发射性能，且硅材料是制备集成电路的基本材料，因此硅一维纳米材料是最有可能应用于大面积、低驱动电压、易实现器件集成场发射器件的冷阴极材料。基于这一背景，本论文开展了以纳米颗粒作为刻蚀掩模，用等离子体刻蚀法进行硅一维纳米材料制备的研究，并对它们的场致发射特性及其器件应用等方面进行了探索。主要的研究方向和结果包括以下几个方面： 1.利用热处理自组装的方法在2英寸硅片表面实现了直径分布均匀的半球形金银纳米颗粒的制备。通过调节处理前金银合金薄膜的厚度可以对所形成的纳米颗粒直径进行控制，纳米颗粒的直径与处理前薄膜的厚度成正比关系。实验中，我们实现了平均直径变化范围从20 nm～115 nm金银纳米颗粒的制备。同时，我们还对金银纳米颗粒的形成机理进行了探索，实验表明表面应力是形成颗粒的关键。 2.用等离子体刻蚀法在2英寸的硅片表面实现了直立有序单晶硅纳米线的制备。通过利用不同直径的纳米颗粒作为掩模，刻蚀得到了不同直径的单晶硅纳米线(平均直径变化范围从40nm～110 nm)。并对硅纳米线的刻蚀工艺进行了探索，探讨了刻蚀过程中各工艺参数对形成纳米线形貌的影响。我们还对硅纳米线的定位制备进行了探索，在2英寸硅片表面制备出了多个硅纳米线阵列，每个阵列由40×40个直径为5 μm的硅纳米线单元组成，在每个单元中包含大量高约1μm，直径为50～100 nm的硅纳米线。 3.由于用单晶硅片进行硅纳米线的制备，所形成硅纳米线阵列的面积受硅片尺寸限制且成本较高，因此我们尝试了进行非晶硅纳米线的制备。用非晶硅薄膜代替单晶硅片作为衬底成功制备出低成本、大面积(直径为4英寸的区域)直立有序的非晶硅纳米线。 4.以金刚石纳米颗粒为掩模，等离子体刻蚀的方法在2英寸硅片表面实现了直立有序硅纳米管的制备。所形成的硅纳米管上半部分为空心的管状结构，下半部为实心结构，管壁最薄处的单晶硅层厚度仅为3 nm。对其形成机理的研究表明，在硅纳米管的形成过程中Cl2等离子的垂直刻蚀作用以及氧化层的保护是硅纳米管形成的关键因素。 5.对所制备得到的单晶硅纳米线、非晶硅纳米线和硅纳米管进行场致电子发射性能测试，结果表明它们的场致电子发射性能具有较大的差异。其中单晶硅纳米线的场发射性能最好，其最低开启电场和阈值电场分布为6.5 MV/m和11.2 MV/m，最高发射电流密度为105 mA/cm2。同时对其场致电子发射性能差异的原因进行了探讨，我们认为电阻和掺杂浓度的不同可能是造成这些差异的原因。 6.在2英寸硅片表面成功地研制出了带控制栅极硅纳米线阵列器件。对单个像素器件的场致电子发射性能测试结果表明其具有较好的场致电子发射特性。在频率为5 Hz，脉宽为100 ms，峰值为60 V的脉冲电压驱动下，器件的阴极发射电流为9.7μA，对应发射电流密度为4.94 mA/cm2。在阳极(荧光屏)电压为5.5 kV时，获得显示点的动态亮度为475 cd/m2。