纳米硅器件是当前微电子学和纳米电子学研究的热点，并被证明在硅基光电集成的运用上具有良好的前景。纳米硅器件的研究和应用的关键在于如何以和硅平面工艺兼容的方法制备出高密度、尺寸可控、位置可控的单层纳米硅薄膜。最近的研究表明，基于限制性晶化原理，在氢化非晶硅(a-Si：H)的多量子阱(MQW)结构中，例如a-Si：H/a-SiNx：H，a-Si/a-SiO2等，采用激光晶化或是热退火的方法使a-Si：H层发生晶化，从而可以制备出高密度可控纳米硅晶粒。但是人们对限制超薄a-Si层中纳米硅的形核和生长机制仍不甚清楚，为了能得到限制性晶化制备可控纳米硅的条件，本论文根据生长动力学理论深入研究了可控纳米硅晶粒的限制性晶化原理和实验，探索了制备尺寸和位置可控的纳米硅的方法。 本文的主要结果如下： (1)根据实验观察结果，提出了a-SiNx/a-Si：H/a-SiNx三明治结构中纳米硅成核、并且限制生长从球形到鼓形的过程，利用生长动力学原理中自由能的改变建立了限制性晶化理论模型，根据自由能变化随纳米硅晶粒尺寸变化的关系，分析了界面能的增大导致纳米硅横向生长停止的机制，正是这一机制导致了纳米硅的限制生长。计算了a-SiNx/a-Si：H单位面积界面自由能变化的值(151.1ev/nm2)，定量得到了自由能变化随非晶硅子层厚度和纳米硅晶粒尺寸的变化关系，并推导出了实现限制性晶化的理论条件：非晶硅子层厚度小于34nm。用该模型还解释了非晶硅晶化温度随子层厚度变薄而增加的现象。 (2)为了验证我们限制性晶化理论模型的正确性，利用PECVD生长出a-SiNx/a-Si：H/a-SiNx三明治结构样品，采用热退火方法和激光晶化技术，实现从非晶硅到纳米晶化硅的相变。改变非晶硅子层的厚度和晶化条件，以达到控制纳米硅尺寸分布的目的，并且观察到限制性晶化对纳米硅尺寸分布的直接影响，研究表明在同样晶化条件下，nc-Si的尺寸受非晶硅子层厚度控制而且非晶硅子层厚度越薄越难晶化，晶化比例越低；对于薄的a-Si：H(≤20nm)层的晶化，退火时间的增长只是增加晶化比例，对纳米硅的平均尺寸和最大尺寸没有影响；对于a-Si：H(40nm)样品，nc-Si尺寸与退火时间有关，限制性晶化不起作用。通过这些实验证明了我们提出的理论模型。透射电子显微镜(TEM)，高分辨电镜(HREM)和拉曼光谱(Raman)被用来表征纳米硅微结构。 (3)在纳米硅尺寸可控的同时，为了实现位置可控，我们设想利用干涉激光束的一维有序分布来实现定域晶化。为此在激光晶化光路中，利用相移光栅调节a-Si：H/a-SiO2/n-Si样品表面的激光能量密度分布，控制a-Si：H发生相变的区域。为了实现高密度的纳米硅阵列，务必要减小光栅的周期，尝试运用全息干涉的方法制作了周期为1微米的一维移相光栅并运用到激光晶化中。原子力显微镜(AFM)的结果表明a-Si：H薄膜已形成一维方向上周期性的有序纳米硅阵列，纳米硅阵列的周期和移相光栅相一致，这样实现了纳米硅一维方向上的位置的控制。发现纳米硅线的尺寸随激光能量密度的增大而增加，在能量密度一定时，厚的非晶硅子层样品晶化阂值低，纳米硅线横向尺寸较大，所以通过改变非晶硅子层的厚度和激光的能量密度以控制非晶硅表面发生相变的区域的宽窄，也可以实现纳米硅尺寸的横向限制。