本论文主要目的是通过量子力学方法对碳纳米管的场发射行为展开模拟，期望能从中发现一定规律并能对一定实验现象进行验证。 第一章主要介绍碳纳米管的有关研究进展和场发射特性。实验中发现碳纳米管在场发射方向具有发射电流密度大、功函数小、阈值电场低、发射电流稳定性好等性质。这些特性与其独特的几何结构、纳米级尖端曲率半径有关。实验发现其具有一些不同于传统场发射体的发射特性，比如电流饱和等特性。 第二章主要介绍有关研究理论研究方法。碳纳米管场发射性质的研究需解决具有大量电子的体系，传统量子计算方法精度高，但计算量巨大，不适宜用于该项计算。从1991年开始，广泛线性标度方法研究持续进行。线性标度基本原理同电子局域性有关。有关线性标度方法包括直接方法和变分法，在直接方法中将介绍费米算子展开算法和Kernal多项式展开法。变分法将介绍密度矩阵最小化方法和局域轨道最小化方法。此外，也会介绍本论文使用的“Divide Conquer”方法。除线性标度方法以外，对于大体系计算方法还将介绍量子力学／分子力学方法和ONIOM方法。本论文在计算中选用1微米级别(5,5)碳纳米管作研究对象。主要采用量子力学／分子力学方法，在计算具体量子力学部分时，采用“分而治之”方法。计算电荷分布时采用镜像电荷模型和准平衡态模型。分子力学部分使用经典电学方法进行电荷拟合。根据计算获得电势基于经典场发射模型对发射电流进行计算。 第三章主要讨论闭合末端纳米管的场发射理论研究。在具体模拟前，先根据计算时间和计算精度设定合适的量子力学部分长度，划分格子中心和缓冲区的大小。计算中对管尖端区域的势垒，轴向电荷密度以及发射电流等进行研究。根据计算有关数据，发射区电势随着温度上升而势垒缓慢下降，这一趋势随着外加场强削弱而变得明显，相应的轴向极化电荷密度衰减速度也随着温度上升而加快。这一趋势在低外加场下更明显。局域极化场强在外加场固定时接近常数。发射电流受到势垒下降影响，在低场强下随温度上升增加速度加快。对于这些结果，本论文认为是体相极化电荷在温度升高时激发到高能级尖端区域的空轨道，从而使尖端区域势垒削弱。在外加场强比较高时，场效应占主要因素。 第四章主要讨论开口末端碳纳米管场发射理论模拟。开口末端碳纳米管在轴向电势和极化电荷密度等参数上，具有类似闭合末端碳纳米管的温度效应，但是受到结构制约，没有闭合末端纳米管显著。由垂直于开口末端轴线的电荷分布显示，开口末端纳米管有关电荷主要集中在尖端区域表面。不同半径的平行轴心方向的电势形状具有相似特性。空间电荷密度对于局域电势分布有相关影响。开口末端碳纳米管由于电子主要集中在表面，因而只能从表面末端发射。开口末端碳纳米管场发射主要经由末端碳原子的游离p轨道，限于末端有限的轨道数目和激发难度，开口末端碳纳米管比闭合末端碳纳米管发射困难。这一结果同实验接近。 第五章对目前方法中的不足之处给出说明。对于研究模型上，目前采用的准平衡态模型限制发射过程中的结构优化，有必要采用分子动力学方法进行动态模拟。对于场发射模型，单壁纳米管的场穿透效应没有考虑，实验中采用的多壁碳纳米管之间的静电作用也有待研究。