随着半导体微纳加工技术的发展，硅基元器件的尺寸在不断减小，如今已经进入到纳米尺度。由于具有不同于体硅材料的新颖的光电性质，纳米硅材料引起了人们越来越大的兴趣，并逐渐在新型的纳电子和光电子器件中，特别是在新一代太阳电池、高性能存储器件和硅基光电集成器件等方面得到了广泛应用。为了进一步提高基于纳米硅的器件的性能，人们需要在纳米硅当中实现可控的掺杂并对掺杂纳米硅的电子结构和光电性质进行更深入的研究。虽然在体硅材料中，磷(P)和硼(B)等浅能级杂质的掺杂机制及其对半导体性能的影响已较为清晰，但同样的杂质在纳米硅材料中，其杂质分布、激活率、相对能级位置以及对半导体光电性质的影响等问题仍然是一系列值得探索和研究的课题，许多问题至今尚未得到解决。因此，人们就需要对纳米硅材料的掺杂行为和掺杂效果进行深入和系统的研究，这也是当前国际上一个非常引人注目的前沿课题。　　本论文主要针对纳米硅中的掺杂原子，主要是磷P原子的掺杂行为及其对纳米硅电子结构和光电特性的影响进行了研究。利用等离子体增强气相沉积技术，通过交替完成非晶硅沉积和原位等离子体氧化两个过程获得了非晶硅/二氧化硅多层膜结构，并通过热退火获得了纳米硅/二氧化硅多层膜结构。在气相生长非晶硅薄膜时加入掺杂气氛（如磷烷）以实现掺杂效果，利用电子自旋共振、X射线光电子能谱等研究手段对杂质磷原子在纳米硅/二氧化硅多层膜中的位置及其掺杂行为受到尺寸、掺杂浓度和热退火温度等因素的影响进行了表征和分析，从实验上证实磷原子可以进入纳米硅当中。此外，对在掺杂纳米硅中观测到的亚带隙(＜1.1eV)近红外光的性质及机制进行了深入研究，发现在尺寸非常小时(约2nm)，磷掺杂的纳米硅中可以观测到亚带隙发光，而此发光信号在尺寸较大的和硼掺杂的纳米硅材料中却无法观测到。结合对掺杂纳米硅电子结构的研究结果和对发光性质的系统研究，对亚带隙光发射的机制进行了讨论。还在高浓度的磷掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜中观察到了局域表面等离激元共振(LSPR)效应，并研究了其信号随着磷掺杂浓度和纳米硅尺寸的变化。　　论文的主要研究内容和创新点如下:　　1.在PECVD系统中，利用气相生长非晶硅时的原位掺杂方法，制备了厚度可控的磷掺杂非晶硅/二氧化硅多层膜结构，并通过高温退火获得了磷掺杂纳米硅/二氧化硅多层结构材料。采用激光拉曼散射、透射电子显微镜等技术对不同退火温度下形成的掺杂纳米硅的尺寸、晶化率和多层膜的结构等进行了研究和表征。发现掺杂纳米硅的平均尺寸在2-8nm，与相应的硅层厚度一致。通过X射线光电子能谱的研究，发现磷原子主要分布于纳米硅层当中以及纳米硅/二氧化硅界面处。　　2.利用变温电子自旋共振(ESR)实验技术，系统研究了磷掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜在不同掺杂浓度和热退火温度下的ESR信号的变化。从室温ESR谱中发现，磷掺杂后，原本出现在未掺杂多层膜样品中的悬挂键信号消失，表明掺杂的磷原子可以钝化纳米硅表面的悬挂键。而进一步的低温ESR谱研究结果表明，有部分掺杂的磷原子可以进入纳米硅内部，导致ESR谱中出现了导带电子信号。研究还发现，在掺杂浓度较低时，可以观测到在ESR谱中出现了精细结构，这表明在一个纳米硅颗粒中平均只掺入了一个杂质磷原子。当掺杂浓度和退火温度逐渐升高时，进入纳米硅的磷原子数逐渐增加，精细结构消失，导带电子信号增强;在掺杂浓度和退火温度都很高时，磷原子会破坏纳米硅的晶格结构，产生新的缺陷态，导致新的ESR信号产生。通过研究变温条件下导带电子信号积分强度的变化，发现在低浓度时，样品中电子浓度较低，主要体现为“居里顺磁性”，在高浓度时，电子浓度较高，主要体现为“泡利顺磁性”。　　3.对掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜的发光性质及相应机制进行了进一步的研究。从实验上发现，只有在尺寸非常小（约2nm）的磷掺杂纳米硅中可以同时观测到位于890nm和1250nm左右的发光峰，而亚带隙的发光信号在尺寸较大的和硼掺杂的纳米硅材料中都无法观测到。基于对平均尺寸为2nm的掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜结构的光致发光谱的研究结果，发现随着掺杂浓度的升高，位于890nm的发光峰强度会逐渐减弱，而位于1250nm的发光峰强度逐渐增强。但进一步提高磷掺杂浓度，两个发光峰的强度都变弱了。研究表明亚带隙的发光可能和纳米硅当中磷掺杂引入的深能级发光中心相关。还测试了两个发光峰的荧光寿命，发现位于1250nm的发光峰的寿命明显低于位于890nm的发光峰，表明其具有更快的复合速率。对不同掺杂浓度样品的1250nm发光峰进一步的变温测试表明，发光峰在低温下会由于带隙展宽而蓝移，同时发光峰的积分强度随着温度先增大后减小，体现出典型的纳米硅的发光特性。　　4.在制备出不同浓度的磷掺杂纳米硅/二氧化硅多层膜结构的基础上，利用傅里叶红外吸收光谱对样品进行了研究。发现当标称掺杂浓度达到6％，且纳米硅尺寸在4nm以上时，样品中出现了LSPR效应。随着掺杂浓度升高，LSPR吸收峰会发生蓝移。通过ESR和能量色散X射线分析，证实LSPR效应所需要的电子是由掺入纳米硅当中的磷原子提供的。利用吸收峰的峰位，估算了样品中的有效电子浓度，并进而计算了其有效掺杂浓度。此外，还发现硼磷共掺样品的吸收峰相比于磷单掺样品发生了蓝移，这可能是由于硼和磷形成了原子对，促进了磷原子的掺杂效率。