硅材料是当今微电子产业支柱，实现光电子和微电子系统的集成，是当前国际上富有活力的热点研究领域：硅光电子学。但是单晶硅(c-Si)间接带隙的属性阻碍了其在有效发光器件上的应用，因此探索有效硅基可见发光材料的应用研究对最终实现光电子和微电子的集成具有重要的意义。研究发现，硅的合金化或者低维的纳米硅体系，如多孔硅，纳米晶硅，超晶格硅等均具有良好的发光性能。之前被广泛研究的是含有硅纳米结构的氧化硅体系，但是理论和实验研究表明该体系具有非常高的势垒(～8.5 eV)，严重阻碍了载流子的注入，降低了发光效率。因此，为满足目前光电子器件的需求探寻一种合适的基体材料是非常有意义的。近年来，研究者们发现含有纳米硅量子点(SiQDs)的氢化非晶氮化硅(α-SiNx：H)薄膜具有较低的势垒(～2.0 eV)和较强的室温可见发光，是硅基发光器件的良好候选材料。　　 α-SiNx：H薄膜由于具有良好的光电性能、可调的折射率(～1.8-2.5)和较大的带隙(～2-5eV)，不仅被广泛应用于制备发光二极管等发光器件方面，而且越来越多的被应用于新型硅基(单晶硅和多晶硅)和薄膜太阳电池的减反和钝化材料。然而，目前为止，尽管已有多种机制或模型被提出，α-SiNx：H薄膜的室温可见发光机制一直存在争议；同时，α-SiNx：H薄膜作为新型太阳电池的钝化材料，其钝化机理尚未研究清楚。因此，研究α-SiNx：H薄膜的光学性质对于提高其发光效率和太阳电池的光电转换效率，推动硅光电子学的发展具有重要意义。　　 对于生长在单晶硅衬底上的α-SiNx：H薄膜而言，其光学常数(折射率、带尾、光学带隙及吸收系数)一般不能够用实验方法直接测量得到，必须借助于其他方法进行分析提取。首先，我们采用基于α-SiNx：H薄膜光学反射谱的Taue-LorentZ Urbach(TLU)模型提取出用等离子体增强化学气相沉积法在不同沉积温度(Td)下制备的α-SiNx：H薄膜室温时(300 K)的光学带隙、带尾、折射率和吸收系数。接着，我们分析讨论了拟合结果和沉积温度之间的关系，并基于Wemple-DiDomenico模型分析了α-SiNx：H薄膜带隙以下折射率的色散行为。　　 其次，我们主要研究了α-SilNx：H薄膜随沉积温度变化的室温光致发光(PL)性质。运用Raman，高分辨透射电镜(HRTEM)证实了α-SiNx：H薄膜中硅量子点的存在，通过红外吸收(IR)实验分析了SiQDs尺寸及结构随沉积温度变化的情况。接着我们通过研究Si QDs尺寸及密度的变化与红光峰位及强度的关系，得出了红光起源于非晶硅量子点的量子限制效应(QCE)的结论。基于温度依赖性PL光谱，静态无序模型，我们把绿光光谱归因于带尾中局域态载流子的辐射复合。而后，我们根据氮化硅的隙态理论模型计算结果把蓝光光谱指认为载流子在≡Si-Si≡与≡SiO缺陷能级之间的辐射跃迁。　　 具有量子限制效应的硅量子点可以为硅基光电器件的应用提供新的突破，这主要是因为QCE可以提高电子-空穴对的辐射复合速率。为了深入研究起源于Si QDs的红光在不同条件退火处理后发光性能的调控，我们将含有Si QDs的α-SiNx：H薄膜在Ar和O2中分别进行退火处理，而后采用波长为514 nm的At+作为PL光谱的激发光源。实验和理论结果表明，退火处理可以改变Si QDs尺寸、密度和表面化学，而且它们是决定Si QDs发光性能的重要因素。当Si QDs在惰性气体Ar中退火时，HRTEM，Raman，FTIR和X射线光电子能谱(XPS)结果一致表明：当退火温度TA≤800℃时，Si QDs具有较小的尺寸(～3.6-4.9 nm)，可见PL起源于Si QDs的量子限制效应；但进一步升高退火温度至TA>800℃，Si QDs在高温下发生了聚集和长大，其尺寸显著增加(～9.8 nm)，较大尺寸的Si QDs可以产生较多的界面态，使得与界面态相关的载流子辐射复合为室温PL的主要机制。　　 当Si QDs在02中进行退火处理时，根据FTIR及XPS实验及理论计算知，高温退火时α-SiNx：H薄膜的氧化程度加强。而且由于氧的电活性较强易产生Si=O键，Si=O键又将在Si QDs隙态内引入较多的局域表面态。并且，光致激发光谱与PL光谱之间存在的较大斯托克斯漂移表明，激子的辐射跃迁主要发生在带隙内。根据第一性原理对Si QDs的计算结果知，由时间分辨光谱得到的纳秒量级的衰减时间可以归因于Si QDs表面的局域态中的激子的辐射跃迁。综合温度依赖性PL光谱、时间分辨光谱和光致激发光谱的结果分析得出，被氧化处理后的Si QDs的室温PL机制可被归因于与Si-N和Si-O-Si键相关的经由Si QDs表面局域态激子的辐射复合。由此可见，Si QDs在不同的气氛中退火处理后，其发光机制由QCE至界面态/表面态的调控可以通过改变辐射态缺陷密度而被成功实现，反之亦然。　　 最后，我们主要运用IR光谱、弹性反冲探测分析和少子寿命测量实验针对目前新型太阳电池使用较为广泛的α-SiNx：H钝化膜的钝化机理作了详细的研究。结果表明，对原沉积的α-SiNx：H薄膜而言，当沉积温度为200℃时，α-SiNx：H薄膜中的H含量和Si-H键密度均较高，可以有效钝化体缺陷或杂质减少复合中心，提高少子有效寿命。α-SiNx：H薄膜在Ar保护下进行退火处理后，当TA=650℃时，部分断裂的Si悬挂键可以最大程度的由Si-N键弥补，达到最好的钝化效果。以上这些研究结果不仅对设计和研制Si基光电器件有一定的借鉴作用，而且对降低太阳电池成本和提高效率也有一定的指导意义。　　 以上的研究得到了国家自然科学基金(10734020和10674094)，国家基础研究重大项目(2006CB921507)、上海市重点项目(06JC14039)、上海市优秀学科带头人计划(08XD14022)和教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队计划(IRT0524)的资助。