本文主要是利用深低温强磁场条件下的变磁场霍耳效应和多载流子输运理论分析—迁移率谱分析技术，研究了硅量子点结构、硅量子点薄膜/单晶硅异质结体系中电子在磁场下的输运性质。通常，由于表面缺陷态和自然氧化层中的电荷，高阻单晶硅的表面很容易形成电子沟道。在我们研究的对象—硅量子点薄膜/单晶硅异质结中，由于硅量子点结构和单晶硅的电子导带不连续，在该异质结的界面也同样存在电子沟道和二维电子气。很显然，硅量子点薄膜/单晶硅异质结样品的平面电导包含了三个导电层平面的贡献：硅量子点薄膜，单晶硅衬底和二者界面的二维(2D)电子气。其中，每一个导电层中的载流子输运参数(载流子浓度，迁移率和导电类型)和输运特性都存在显著差异。值得注意的是，固定磁场下传统霍耳效应实验中，由于忽略了载流子弛豫时间和能量的函数关系，是无法提取出硅量子点薄膜/单晶硅异质结内部每一导电层中的载流子输运参数，仅仅是得到这三个导电层的综合平均的载流子输运信息。为了避免半导体衬底带来的多层导电层的影响，以前硅量子点结构电学性质的研究仅仅针对于玻璃衬底的样品。但是，建立在载流子弛豫时间分布的Boltzmann输运理论基础上的迁移率谱分析技术可以通过变磁场霍耳效应测量(温度1.6-300.0K，磁场≤15.0Tesla)将硅量子点薄膜/单晶硅异质结体系中三个导电层的载流子输运参数分别提取出来。 我们建立了变磁场霍耳效应实验测量系统和迁移率谱分析的理论计算工具，并对GaAs同质结远红外探测器结构的高品质MBE样品做了变磁场霍耳效应实验测量和迁移率谱分析，得到的结果的确能够如实地反映了该样品中两个不同掺杂浓度电导层的输运参数。同样，对硅量子点薄膜/单晶硅异质结体系，迁移率谱分析也能够很好地反映出异质结二极管的nn或pn类型结构，这些平面电导输运结果同异质结的纵向电导输运结果的结论都非常好地吻合，证实了我们的迁移率分析技术可以从变磁场霍耳效应测量结果中得到多层异质结结构内每个导电层的载流子输运参数。 在变磁场霍耳效应测量和迁移率谱分析技术的基础上，我们通过对硅量子点薄膜的电导率和迁移率的测量研究了结构有序对电学性质的影响，从而了解衬底材料对硅量子点薄膜内部有序结构的影响。衬底材料对硅量子点薄膜内部有序结构的影响在高精度透射电子扫描显微镜实验结果中得到了进一步的证实。我们发现在单晶硅衬底上沉积的硅量子点薄膜具有高度有序的低维结构，这种有序程度较高的硅量子点体系在室温下表现出扩展态电导和高迁移率(～103cm2/Vs)，但是在低温下却表现出从扩展态电导到带尾态电导转变的Mott迁移率边现象。而玻璃衬底上沉积的硅量子点薄膜内部的有序程度很低，其室温电子迁移率非常小，约为0.4cm2/Vs。同时，该无序体系表现出明显的Mott跳跃电导。在磁场下，这两种有序程度不同的材料在室温下也表现出不同的输运现象：有序硅量子点结构中正常的负磁致电导现象和无序硅量子点结构中反常的正磁致电导现象。我们分别用晶态半导体中的Boltzmann输运理论，非晶态半导体中的Mott跳跃电导理论和电子波的量子干涉理论清楚地解释了有序和无序硅量子点结构中这些不同的电子输运现象。 其次，我们详细地研究了各种不同掺杂条件对单晶硅衬底上生长的硅量子点薄膜中晶粒内部的电子耗尽和势垒的变化，以及由此导致电学性能的变化。由于在单晶硅衬底上沉积的硅量子点薄膜内部，纳米晶粒之间的晶界非常小，仅有几个(2-4)原子层的厚度。因此，硅量子点薄膜具有很高的掺杂效率，电子浓度可以通过掺杂条件的变化而改变3-4个量级。同时由于晶粒表面上非晶硅晶界内部缺陷态的存在，晶界缺陷将会导致晶粒内部电子的耗尽，从而形成可以束缚电子的三维势阱能带结构。掺杂可以在很大程度上控制硅量子点薄膜内部的电子势垒(势垒能量高度和势垒宽度)。随着掺杂浓度的增加，晶粒内部的耗尽程度不断减小，界面电子势垒的能量高度不断增加，电子在晶粒内部的局域化程度也在增强。当杂质浓度太高以后，杂质浓度的增加，使得晶粒边界上耗尽区的宽度非常小，电子势垒宽度也变得越来越薄，大大增加了电子的透射几率和削弱电子在晶粒内部的局域化。同时，由于杂质浓度太高，杂质原子周围电子云的重叠程度也越来越大，形成了杂质带电导，从而减小了电子在晶粒内部的局域化程度。我们发展了包含扩散输运和弹道输运机制的广义Drude输运理论模型，可以非常好地揭示硅量子点薄膜内部电子能带结构随掺杂浓度的变化规律，以及由此造成对迁移率的影响。同时，也较好地解释了硅量子点结构随温度变化引起的Mott迁移率边现象：扩展态电导到带尾态电导的转变。 另外，我们详细地研究了射频溅射功率条件对单晶硅衬底上生长的硅量子点薄膜中晶粒尺寸和晶格应变的影响，以及导致对电子迁移率的影响。我们发现硅量子点薄膜内部的微观结构(晶粒尺寸，晶粒内部应变和结构有序程度)强烈地依赖于氢原子和硅—硅键的相互作用和结合方式。在一定条件下，我们可以通过改变等离子体化学气相沉积(PECVD)系统中等离子体的射频溅射功率来调节氢原子和硅—硅键的相互作用和结合方式，实现对氢化硅量子点微观结构的调控。随着射频溅射功率的增加，等离子体中分解出来氢原子的密度和动能也增加，氢原子对弱结合非晶硅键的刻蚀和非晶硅无序网络重构作用也增强，加快了晶核的生长速度，提高了硅量子点薄膜内部晶粒的平均尺寸。在过高的射频溅射功率下，氢原子的刻蚀作用太强，反而会抑制晶核的生长速度，降低硅量子点薄膜内部的晶粒平均尺寸。从生长机制上，我们知道生长过程中射频溅射功率过高或过低，都不利于硅量子点薄膜内部的有序结构，并且导致Si-H2键的形成和氧杂质的进入导致薄膜的氧化。由于生长过程中氢原子刻蚀作用的双重影响作用，我们可以看到在最佳射频溅射功率下，硅量子点薄膜的生长速度最快，硅量子点薄膜内部的晶粒平均尺寸达到最大，约为10nm。但是，过大的晶粒尺寸减轻了晶粒内部的应力，导致晶格的应变程度最小(0.01-0.3﹪)。而在适当的射频溅射功率条件下可以生长出晶粒尺寸更小(～6nm)的硅量子点薄膜，其内部存在较大的晶格应变(1-2﹪)。晶格应变可以导致电子能带中电子的有效质量变得更小和室温下声子散射的减弱。在低掺杂的条件下，有序的应变硅量子点结构的电子迁移率因为有效质量的减小和声子散射的减弱可以大大提高，达到1.4×103cm2/Vs，比相同电子浓度4.9×1017cm-3的单晶硅材料的电子迁移率高两倍。虽然有序硅量子点结构中晶格应变导致电子迁移率增加的幅度没有单晶硅材料高[晶格应变(～1﹪)的单晶硅材料中电子迁移率可以提高到2500-3500cm2/Vs]，但是有序的应变硅量子点结构中的电子迁移率已经比以往玻璃衬底上沉积的硅薄膜高很多。我们运用广义Drude输运理论解释了高迁移率的实验现象，并发现有序的应变硅量子点结构中电子的电导有效质量仅为未应变单晶硅中有效质量的0.3-0.4倍左右。射频溅射功率对晶粒内部晶格应变和有序程度的影响分别在用XRD和远红外透射谱实验结果上得到证实。我们的研究成果为制备高速硅量子点结构电子器件奠定了基础。 射频溅射功率条件的改变不仅影响硅量子点薄膜内部晶粒的晶格应变，同时还对衬底单晶硅界面原子层中的晶格应变和电子能态也有重要的影响，即导致界面上形成电子沟道，其中的二维电子气具有更高迁移率。我们对硅量子点薄膜/单晶硅异质结二极管器件在室温下纵向输运的单向导电的整流效应也做了详细的研究，生长条件(即射频溅射功率和掺杂浓度)的改变将会引起硅量子点薄膜/单晶硅异质结界面二维电子气浓度的变化，对该异质结二极管反向偏压下的漏电流有很重要的影响。我们发现该类异质结二极管的反向漏电流同其界面上二维电子气的浓度也存在一定关系：硅量子点薄膜内部的晶格应变程度和电子浓度的增加，提高了异质结界面二维电子态密度，将会引起二极管的隧穿电流增大。 最后，我们还对单晶硅衬底上生长的有序硅量子点结构在极低温下的量子输运现象做了详细的研究工作。在极低温下，电子的德布罗意波长变得很长，因而波动特性表现非常明显，造成了Boltzmann输运理论的失效和量子力学电导修正非常显著。另外，该类量子点体系还表现出磁场削弱电子波在量子点中的干涉效应而导致的磁场退局域化现象，即反常的正磁致电导现象。我们分别用标度理论和量子干涉输运理论较好地解释这些输运现象。在极低温下，电子动能非常小，被局域化在硅纳米晶粒中。我们还研究了硅量子点薄膜/单晶硅异质结二极管在强电场下的纵向电学输运，清楚地观测到了丰富量子共振隧穿现象：负微分电导(3D-2D)，费米面奇异性现象(2D-0D)，和耦合量子点之间(0D-0D)的量子共振隧穿现象。我们用量子共振隧穿理论清楚地解释了这些量子共振隧穿现象。同时还发现一些目前尚无法清楚解释的实验现象，如量子共振隧穿的电流—电压(I-V)曲线在磁场下的漂移现象等。这些量子输运过程的研究对硅量子点结构中量子共振隧穿等光电子器件的开发有着重要的意义。 以上的研究得到了国家自然科学基金(60006005，10125416和10301010)，上海市重大基础研究项目(03DJ14003)和教育部优秀青年教师教学与科研奖励基金的资助。