低维半导体纳米材料因其独特的量子效应与物理性质受到了广泛关注。其中,一维半导体Ge纳米线,因具备高的空穴迁移率、低的超精细相互作用,高的朗道g因子以及与硅兼容等优点,使其在基于半导体量子点的硅基自旋量子比特及基于马约拉纳费米子的硅基拓扑量子比特等领域具有很大的应用潜力。采用传统的气-液-固生长方法得到的Ge纳米线存在金属污染、转移以及排列的问题,而采用分子束外延生长方法生长面内且有序排列的Ge纳米线可以有效的解决上述问题。本论文首先介绍Si平衬底上面内Ge纳米线的生长方法及其在量子器件中的研究进展;然后结合自上而下的微纳加工和自下而上的自组装技术,首次实现了Si图形衬底上面内Ge纳米线位置、周期以及结构的可控生长,为硅基量子器件的寻址和集成奠定了材料基础,具体内容如下:首先,我们采用分子束外延生长方法,通过在Si（001）衬底上生长纯Ge以及原位退火的方法,得到了面内生长的Ge纳米线,其高度约为2 nm,侧壁晶面为（105）晶面。我们的合作组利用这种Ge纳米线制备了Ge纳米线单量子点器件,通过测量低温输运性质,得到了标准的库伦阻塞图,提取了朗道g因子;进一步将Ge纳米线单量子点与超导微波谐振腔耦合,实现了利用谐振腔对量子点中电荷状态的精确读取;最后制备了Ge纳米线双量子点器件,实现了第一个锗空穴量子比特。其次,我们结合自上而下的微纳加工技术与自下而上的自组装生长方法,巧妙的利用SiGe应力层实现了面内Ge纳米线位置、周期以及结构的可控生长。利用电子束曝光和反应离子刻蚀技术,在Si（001）表面获得沿[100]或[010]方向周期性排列的深槽,利用分子束外延生长方法,先沉积SiGe应力层,在凹槽边缘形成SiGe mound,然后沉积纯Ge层,经过原位退火,在凹槽两侧形成了Ge纳米线,实现了Ge纳米线的位置、周期的可控生长。这种Ge纳米线的平均高度为3.8 nm,其标准偏差为0.11 nm,纳米线的侧壁晶面为（105）晶面。扫描透射电子显微镜图表明纳米线具有非常高的晶体质量。因为纳米线的结构与周期依赖于图形衬底的结构与周期,所以我们进一步实现了“口”和“L”型结构的可控生长。热动力学模型的计算表明在SiGe mound上形成纳米线比在平衬底处更有利于应力释放。合作者通过测量Ge纳米线单量子点器件的低温输运性质,得到了典型的库伦阻塞图,证明了g因子的各项异性,观测到了强度和In As,In Sb纳米线相当的强自旋-轨道作用,且可以通过电场调节自旋-轨道耦合强度。通过改变图形衬底的周期,得到了相距很近的两根平行Ge纳米线,初步实现了位于两个纳米线上的单量子点之间的耦合,为实现器件的可扩展性提供了可能。此外,我们系统的探究了SiGe应力层的厚度、Ge的含量、生长温度以及退火等因素对SiGe mound以及Ge纳米线形貌尺寸的影响,还在这种图形衬底上实现了Ge纳米线的多层生长。最后,为了实现更多不同形状的Ge纳米线材料,例如闭合结构与网格状结构的纳米线,我们对浅槽内纳米线的定位生长进行了初步探索。利用电子束曝光技术和反应离子刻蚀技术,在Si（001）衬底上获得了沿[100]或[010]方向的既浅又窄的凹槽,通过沉积适量低Ge含量的SiGe层并升温退火,在槽内得到了周期性排列的GeSi纳米线。GeSi纳米线的高度约为7 nm,侧壁晶面为（105）晶面,我们可以通过调节凹槽的位置、结构与周期实现纳米线的位置、结构与周期的可控生长。通过探究退火温度、Ge的含量以及图形周期等因素对纳米线的影响,我们定性的解释了凹槽内部纳米线的生长机理。此外,通过纳米线的多层生长,初步实现了高Ge含量的GeSi纳米线的定位生长。