硅是构成当代微电子器件和太阳能电池最基本的材料。随着半导体技术的不断发展,半导体器件的特征尺寸也随之不断缩小,已经逐渐趋近了理论的“物理极限”;但是人类对体积更小、速度更快、功耗更低的信息工具的追求永无止境。在硅基半导体器件中使用光子代替电子作为信息传输的载体,将半导体光电器件与当今成熟的半导体微纳加工工艺结合在一起,构建单片光电集成电路是未来可能的解决途径之一。另一方面,对新能源的渴求驱使人们不断探索新的方法突破硅基太阳能电池的Shockley-Queisser极限,而利用能带工程和光学操纵,基于硅基纳米材料来拓宽电池的光谱响应范围是当前提高电池的转换效率的研究热点之一。因此,对硅基纳米光电子材料和器件的研究已经成为当今发展最为迅猛的领域之一。本论文针对新型硅基纳米光电子材料的合成与物理性质展开了研究,通过探索新型合成技术、表面功能化及掺杂工艺来改善硅基纳米材料的表面态,提高其光吸收与辐射复合效率等光电性质,进而设计和制作了相应的光电原型器件并研究了器件性能。论文主要包括以下内容和成果:1.利用三步式的气相高温结晶反应和液相刻蚀、催化反应相结合的方法制备了表面功能化的,且尺寸可控的胶态硅量子点。通过实验探索,在激光诱导高温裂解硅烷的气溶胶反应中确定了优化的制备条件和参数,制备出平均粒径为15nm的硅纳米晶体颗粒,并且产率达到了宏观尺度的0.5g/hr;然后通过液相刻蚀技术获得了在15-1.5nm范围内尺寸可控,且表面为清洁Si-H键的硅量子点。在实验中观测到,当量子点尺寸在5-1.5nm范围内变化时,发光波长从700nm红光蓝移到500nm绿光范围,这可以归结为我们制备的胶体硅量子点表面被很好的钝化,因而可以观测到由于量子限制效应所导致的带-带跃迁发射的光子能量随尺寸的变化;通过选取不同的表面基团前驱物参与紫外光催化的氢化硅烷化反应对清洁表面的硅量子点进行表面功能化,获得了具有高度化学稳定性与发光稳定性的功能化硅量子点。2.在探索硅量子点表面功能化的过程中,发现了对乙烯基对硫化物(DADS)可以作为优良的表面功能基团前驱物对硅量子点进行表面功能化,并获得了浓度达30mg/mL,具有高度化学稳定性的硅量子点“墨水”(silicon nano-ink)。使用旋涂工艺在空气环境下制备了基于硅量子点的光电二极管原型器件。器件以硅-铝电极间形成的肖特基结结构为基础,实验发现,当在器件中的硅与ITO层之间加入PEDOT:PSS薄有机聚合物层后,器件的性能有了明显地提高。根据Ⅰ-Ⅴ特性,证明了在光照条件下,器件中形成了 0.27V的内建电场。这使得器件即使在0.1V很低的工作电压下,对模拟太阳光也具有非常灵敏的光电流响应,光/暗电流强度比达到700:1。全光谱响应测试结果表明,器件有较窄带宽的紫外范围光响应,而对可见与红外范围光响应率很低。在波长为310nm附近峰值光响应率达到0.02A/W,因此具有高紫外光响应和可见-红外光屏蔽的特点。由于DADS基团对硅量子点形成了良好的表面包裹,器件表现出优良的空气稳定性,显示出DADS功能化的胶态硅量子点在新型光电器件方面具有很好的应用前景。3.常温常压下使用液相化学方法直接合成了平均粒径为2.8-3.6nm的SnO2纳米颗粒。通过后退火处理可以获得尺寸在3-20nm范围内变化的SnO2纳米晶体颗粒。进而使用溶胶-凝胶方法、旋涂和后退火工艺合成了 ZnO,In2O3,SnO2等氧化物半导体量子点原位掺杂的二氧化硅薄膜。在适当的掺杂浓度和后退火温度下,二氧化硅基质中能够形成晶化良好,平均尺寸与激子玻尔半径接近的氧化物半导体量子点。PL谱测试结果显示,镶嵌于二氧化硅中的金属氧化物量子点具有与分立的量子点类似的带-带跃迁吸收和表面缺陷态发射性质。同时在光吸收谱实验中观察到由于量子限制效应,量子点的吸收边随着尺寸变化而移动的现象。4.合成了金属氧化物量子点(SnO2,In2O3)与稀土离子(Eu3+,Er3+)共掺的二氧化硅薄膜。在使用溶胶-凝胶法合成的二氧化硅材料中,稀土离子的最高激活浓度达到2-3mol%。通过将SnO2或In2O3量子点作为敏化材料加入二氧化硅薄膜,观察到不同稀土离子的本征荧光强度在各自最优条件下均发生了两个数量级以上的增强。通过对稳态PL谱的系统研究,证实了在金属氧化物量子点与稀土离子之间存在着与浓度相关的共振能量传递关系;铕离子在适宜的退火温度和氧化物掺杂浓度下能够掺入SnO2量子点晶体结构之中,并引起铕离子不同特征发射峰相对强度的变化,从而提高能量传递效率;变温荧光谱和瞬态荧光谱结果表明,在各自最优条件下,In2O3量子点到稀土铒离子的Forster能量传递效率约为20%,SnO2量子点到稀土铒离子的Forster能量传递效率约为63%。这可以归结为部分铒离子掺入SnO2量子点中因而缩短了两者之间的平均距离,以及更高的退火温度下,SnO2量子点与铒离子共掺的二氧化硅薄膜有更低的-OH浓度这两者的共同作用结果。