石墨烯是由单层碳原子构成的六角蜂窝状二维晶体。2004年Geim和Novoselov报道了采用机械剥裂法获得单原子层的石墨结构。石墨烯具有室温下的量子霍尔效应、很高的载流子迁移率和极大的比表面积等特性,在超级电容器、传感器、自旋电子器件、透明电极等领域有广阔的应用前景。经过研究人们发现厚度在10原子层以下的石墨片具有与单原子层石墨烯相近的性质,故常常将石墨烯的概念推广至10原子层以下的纳米石墨片。冷阴极具有大电流、低功耗和冷发射的特点,在真空电子器件中有广阔的应用前景,是真空电子器件的重要发展方向。石墨烯具有极高的长径比和大量的发射边缘,是一种理想的冷阴极场发射材料。目前关于冷阴极场发射的研究内容主要集中在降低冷阴极场发射工作电场,满足场发射平面显示器的要求,以及提高发射电流和电流密度,满足真空电子器件的需要。基于冷阴极的这两种需求,本文采用石墨烯作为冷阴极场发射材料,从石墨烯的制备入手进行不同石墨烯场发射冷阴极的制备研究,分别满足场发射平面显示、大电流真空电子器件,以及特殊电子注微波真空器件等领域的应用要求,具体研究包括:1.采用化学氧化法大量制备氧化石墨烯,采用分区离心的方法对不同尺寸的氧化石墨烯进行分离提纯;2.通过碳纤维原位剥裂石墨烯制备石墨烯阴极,得到极低工作电场的石墨烯阴极,其开启电场为0.4V/μm,阈值电场为0.7V/μm;3.通过电泳、丝网印刷等工业方法制备低成本、低开启电场和阈值电场的石墨烯阴极,可以满足场发射平面显示领域的需求,初步实现了场发射平面显示;4.通过微波等离子体化学气相沉积的方法在碳纳米管上生长石墨烯,探索石墨烯的生长机制,发现石墨烯在碳纳米管中的缺陷处沿着碳管的晶格结构进行外延生长,证明了石墨烯与碳纳米管不但具有共同的基本结构,其结构还可以兼容。同时,这种石墨烯结构有很高的多级场增强效应,具有很好的场发射性能。5.利用氧化石墨烯制备柔性的石墨烯自支撑膜。采用石墨烯自支撑膜做为边缘发射阴极,制备带状电子注、环状电子注等石墨烯冷阴极结构,可以满足不同真空电子器件的特殊要求;6.采用柔性石墨烯膜制备定向的石墨烯边缘发射阵列阴极,发射电流为10m A,电流密度达到5A/cm2。这种阴极与传统的薄膜阴极不同,它具有cm级的横向结构,破坏其表面不会改变阴极的场发射能力,有很好的发射稳定性,有可能应用于小功率微波真空电子器件。本论文的创新性在于从石墨烯的制备入手,研究制备可以在不同领域中应用的石墨烯场发射冷阴极;通过低成本的方法实现石墨烯冷阴极制备,其应用前景涵盖了小电流的低工作电场平面显示器件到大电流真空电子器件;同时,还可以满足特殊真空器件对于不同电子注的要求。本文的研究成果可以应用于真空电子器件中,对发展下一代真空电子器件,实现真空电子器件的微小型化和集成化具有一定的现实意义和参考价值。