纳米硅量子点材料由于其与体硅材料所不同的新颖物理性质,在硅基发光器件与太阳能电池等光电器件中有着潜在的应用前景,而如何进一步提高器件的性能已经成为当今一个引人注目的研究前沿。特别是为了很好的控制纳米硅量子点的尺寸,人们一般采用硅量子点/介质层(如二氧化硅,碳化硅等)多层结构。由于硅材料较大的折射率以及介质层的影响,使得器件的光学性质并不十分理想,而通过设计与制备硅基纳米阵列结构来进行光管理,改善对光的吸收或发光的提取效率是一种有效的提高器件性能的途径。本论文中,我们利用时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)对具有不同形貌与结构的有序纳米硅阵列的光学特性进行了模拟研究,探讨了不同的结构对表面反射率的影响。随后用纳米小球刻蚀技术,制备了具有不同刻蚀深度的硅纳米阵列结构,研究了这些结构的光学性质,并将实验结构与模拟结果进行了比较分析。然后将制备的硅纳米结构阵列用于硅量子点/二氧化硅多层膜发光器件中,在器件上观测到了光致发光与电致发光的增强。在最优化的结构下,最高发光效率提高了一个数量级。我们把硅纳米阵列结构制备方法应用到了锗材料中,制备出了不同形貌的锗纳米阵列结构,利用限光结构提高了材料从可见光到近红外光波段的光响应。本论文的主要内容和结果如下:1.为了研究硅纳米阵列结构特性,利用FDTD Solutions软件对其光学特性进行了模拟研究。发现不同的结构形貌对表面反射率有很大影响。在保持阵列结构直径不变的情况下,随着深度的增加,结构的反射率逐渐下降。对于深度为150nm,直径为300nm的结构而言,其在300-850nm波段内的反射率低于15%。而对于同样深度,改变周期对于反射率的影响并不明显,而在固定纵宽比的情况下,存在一个最佳的直径使得纳米结构有良好的减反效果。同时,我们利用纳米小球刻蚀技术在Si衬底上制备了不同形貌的纳米结构阵列,并对其光学性质进行了表征,实验结果与模拟结果很好的吻合。分析表明,纳米阵列结构中的渐变折射率以及与入射光波长相匹配而导致的Mie散射是使得纳米阵列结构具有良好的减反特性的原因。2.在获得具有良好减反效果的硅基纳米阵列结构的基础上,我们将其应用于硅量子点/二氧化硅多层膜发光器件。发现制备在纳米阵列结构上的多层膜的发光强度相对于平面结构有显著的增强。随阵列结构深度增加到91nm时,发光强度也逐渐增强。但当进一步提高纳米结构深度时,发光强度反而有所降低。这可以归结于在刻蚀时间增加后,硅纳米阵列结构的表面缺陷增加导致的表面复合损失。同样地,在纳米阵列结构上制备的电致发光器件有比平面器件显示出更强的发光效率,在最佳条件,发光强度增加了一个量级。3.我们将纳米小球掩膜刻蚀技术引入到锗(Ge)材料上,通过选取不同直径的纳米小球和控制刻蚀时间制备了具有不同形貌的锗纳米阵列结构。我们发现锗在刻蚀时容易存在侧壁腐蚀的现象,导致有序的纳米阵列结构被破坏。而利用大尺寸(如2μm)的纳米小球作为掩膜可以较好获得周期性的有序锗纳米阵列结构,同时实现宽光谱的吸收增强。我们同样利用FDTDSolutions对锗纳米阵列结构的光学性质进行了研究,并结合实验结果进行了对比与分析。发现由于锗的窄带隙特性,使得短波长可见光的吸收被局限在锗材料的表面,而长波长的近红外光可以被较好的吸收。初步将其应用于硅薄膜电池结构中,发现在大于1200nm的波段会产生一定的光响应,这预示着有利用锗纳米阵列结构来改善或提高器件在近红外光波响应的可能性。