本论文工作主要是对半导体量子点和量子环自组装的热力学及动力学理论进行了系统研究。针对异质外延生长中半导体量子点体系，研究了量子点的形成机理，形状转变，形核位置、阵列排布等问题，并且通过动力学方法考察了温度，压强，衬底表面情况等对量子点生长的影响。对于量子点的形成，我们的理论不仅揭示了为什么量子点只能在浸润层达到一定厚度后才能形成，也预言了量子点形成的临界尺寸；针对量子点在生长过程中的形状转变问题，我们的理论研究表明表面能和应力弛豫能间的平衡决定了量子点的接触角大小和形状选择；对于量子点阵列排布的问题，我们主要分析了在花纹衬底表面量子点形核位置的选择问题，结果表明，由于衬底表面化学势的不同，量子点容易在化学势最低的区域形核长大。同时，我们将所发展的理论应用于半导体量子环的自组装。针对液滴外延方法制备量子环体系，我们建立了普适的热力学和动力学理论来定量的分析其物理机制，并通过动力学模型，模拟了各种实验条件下的量子结构的生长过程。我们的理论结果表明，在量子环生长的初始阶段，由于液滴高的表面能密度引起的在液滴边缘形核导致量子环的形成。在随后的阶段，液滴原子的扩散和沉积原子的捕获控制量子环的进一步生长，它决定着量子环最终的尺寸和形状。我们的理论不仅很好的解释了实验现象，而且更重要的是揭示了量子点、量子环自组装生长过程的物理机制，为这些量子结构的理论设计提供了基础。 本论文主要有如下几点创新： 发展了一个热力学模型来分析量子点的形成和生长。理论的结果不仅解释了为什么量子点只能形成在一定尺寸的浸润层上，为什么量子点不能无限制的长大，而且可以预言量子点形成的临界尺寸和稳定尺寸。 我们发展了一个普适的热力学理论来研究异质外延系统中量子点的自组装，它考虑了量子点间的相互作用能和尺度依赖的表面能和界面能。我们的理论清楚的解释了为什么量子点不能没有限制的生长，同时，还解释为什么量子点必须在浸润层厚度达到一定厚度后才能出现。我们计算了量子点生长的两个临界尺寸，一个是量子点形成的临界尺寸，一个是量子点生长的稳定尺寸。这些理论结果和实验的结果符合的很好。 建立了一个解析的热力学模型来定量的分析在异质外延系统中量子点的形状转变问题。理论分析表明表面能和弹性弛豫能间平衡决定了形状转变的演化过程。 考虑浸润层的尺寸依赖的表面能，我们建立了一个解析的热力学模型来定量的分析在异质外延系统中量子点的接触角问题。分析表明表面能和弹性弛豫能间平衡决定了量子点接触角的大小。具体的说，在量子点的尺寸很小时，总的能量变化是由尺寸依赖的表面能支配。因此，量子点的形状趋向表面能的最小化，也就是说量子点趋向拥有小的接触角。在后来的阶段，也就是大体积的量子点，弹性弛豫能变得更有作用，它驱动着量子点具有高的接触角。因此，理论分析阐述了量子点从低接触角向高接触角的形状转变的物理机制实际上是表面能和弹性弛豫能间的平衡。理论的结果和实验的吻合预示着这个热力学模型可以应用到其它的应力量子点的自组装中。此外，从热力学角度定量的分析了在异质外延中应力量子点从金字塔形到圆锥形的形状转变问题。以Si(001)衬底上生长Ge和SiGe量子点为例子，我们计算了该形状转变的临界尺寸大小。理论的结果和实验是一致的。 提出了一个定量的热力学理论来研究量子点在覆盖过程中的形状演化。以Ge/Si系统作为例子，我们系统的研究了Ge量子点在盖Si过程中的形状和体积的演化。有趣的是，我们发现Si的吸附导致量子点中Ge的浓度的下降，最初的纯Ge量子点变为GeSi合金量子点。因为GeSi合金量子点和衬底之间的失配应力要比纯Ge量子点的小，所以GeSi合金量子点需要更低的浸润层的表面能来平衡应力能的变化，然而，更低的表面能需要浸润层厚度的增加，即浸润层需要更多的Ge原子来增加它的厚度，这些Ge原子只能来自量子点。简单的说，量子点和浸润层之间的能量的平衡驱动Ge原子由量子点向浸润层扩散。当Ge原子的扩散量大于(小于)Si的吸附量时，量子点将会收缩(膨胀)。 建立了一个热力学模型来定量的分析在图案衬底上量子点的形核问题。针对量子点阵列排布的问题，主要分析了在花纹衬底表面量子点形核位置的选择问题。结果表明，由于衬底表面化学势的不同，量子点容易在化学势最低的区域形核长大。我们可以通过选择合适的间隔层，改变间隔层的厚度，设计衬底的表面形貌来控制量子点的形核位置。 建立的热力学模型不仅能很好的解释为什么量子点在花纹衬底上既可以生长在山顶上，也可以生长在山腰和山脚下，也能预言在花纹衬底上的形核位置。根据我们的模型，我们可以通过选择合适的间隔层，改变间隔层的厚度，设计衬底的表面形貌来控制量子点的形核位置。我们的模型给定量的分析在花纹衬底上的形核带来了新的思路和方法。 基于表面化学势理论，利用形核热力学和动力学来定量分析量子点在金属花纹衬底上的自组装过程。有趣的是，定量的理论分析表明，由于金纳米颗粒的影响，金纳米颗粒的正方格子中心是表明化学势最小的地方。考虑到沉积原子会从化学势高的地方向化学势低的地方扩散，我们发现量子点的形核最适宜在金属颗粒格子的中心发生，也就是在化学势最小的地方发生。重要的是，我们的理论结果和实验的结果符合的很好。 针对液滴外延方法制备量子环体系，建立了普适的热力学和动力学理论来定量的分析其物理机制，并通过动力学模型，模拟了各种实验条件下的量子结构的生长过程。 建立了液滴外延制备量子环的热力学理论和动力学理论，这个理论对于认识量子环的生长机制带来了新的观点。我们的理论结果表明在量子环生长的初始阶段，由于液滴高的表面能密度引起的在液滴边缘形核导致量子环的形成。在随后的阶段，液滴原子的扩散和沉积原子的捕获控制量子环的进一步生长，它决定着量子环最终的尺寸和形状。我们以GaAs/AlGaAs系统为例子，我们比较我们的理论预言和实验数据，发现他们符合的很好。