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自上世纪九十年代发现多孔硅的强发光后，纳米硅材料也引起了广泛的关注。由于硅纳米晶体颗粒（SiNCs）的发光类似多孔硅，而稳定性比多孔硅好很多，因而被认为具有制成光电器件的应用前景。通常制备Si NCs的方法有化学气相沉积法、溅射沉积法以及离子注入法（Ions Implantation）等。离子注入法具有可控性和可重复性好；注入过程中不引入新杂质；可以得到不同离子注入分布；所形成的缺陷在退火处理过程中几乎可以全部恢复等优点。
然而，体型硅为间接半导体，发光效率较低，因此如何提高其发光效率仍为当前的一个主要研究课题。另外，虽然对Si NCs的发光机制进行了多年研究，提出了量子限制效应和氧化硅界面发光中心等发光机制，但在对具体实验现象的解释上仍有不同的理论模型。本论文采用离子注入并高温退火的方法制备Si NCs材料，一方面通过比较系统的实验研究探索进一步提高发光效率的途径，另一方面基于实验结果对Si NCs的发光机制进行了探讨。
论文研究了退火温度、Si注入剂量和氢钝化处理等因素对Si NCs光致发光强度的影响。实验结果表明，当退火温度为1050℃时，光致发光强度达到最大值，光谱的发光峰位于700-780 nm范围内，TEM观测结果显示所形成的Si NCs尺寸大部分小于3nm；当退火温度为1050℃时，未钝化样品的最大发光强度出现在注入剂量为1×1017 Si/c㎡的时候，而钝化样品在Si注入剂量范围为1×1016Si/c㎡-3×1017 Si/c㎡的发光强度随注入剂量的增大而单调增长。
在发光机制探讨方面主要进行了两个方面的工作。首先是结合实验现象对对Si NCs光致发光理论模型的讨论。对退火温度对光致发光影响实验结果的分析表明，Si NCs光谱的发光峰位置随着退火温度的增加而红移，且当退火温度为1150℃，在780 nm和860 nm分别出现了发光峰，对应TEM测试结果显示，样品中出现了尺寸大于3 nm的较大Si NCs。在温变光致发光实验中我们也发现短波段的发光峰随着环境温度降低发生蓝移，而长波段的发光峰的位置并不随环境温度改变。这些实验结果都较好地符合秦国刚等的量子限制/发光中心理论模型。
另一方面，我们采用钝化前后发光增强因子（IR）比较详细地分析了悬挂键对Si NCs光致发光的影响，进一步明确了单个Si NCs表面悬挂键的数目随着SiNCs尺寸增大而增大；对不同Si注入剂量样品的发光强度进行的比较分析表明，作为非辐射重组合中心，悬挂键除了对单个Si NC有光吸收作用从而使发光强度减弱以外，当Si NCs相距较小时悬挂键对邻近Si NCs的发光也有吸收作用，并以此解释了钝化后样品的发光强度随注入剂量单调增长的现象。
本论文还针对当前很难有效准确地控制Si NCs尺寸的问题，提出了一种新的氧化方式来减小Si NCs，即通过注入氧离子并后期高温退火的方式。初步实验结果显示，Si NCs发光峰位随着注入氧剂量的增大而蓝移，说明Si NCs的尺寸得到有效减小。