采用液滴外延法在GaAs(001)衬底上同时沉积In、Al液滴形成纳米结构, 利用原子力显微镜(AFM)对实验样品进行形貌表征, 并通过X射线光电子能谱(XPS)与扫描电子显微镜分析In、Al组分比样品表面元素分布。实验结果显示, 混合沉积后的表面InAlAs纳米结构密度随着In组分的降低而降低, 而单个纳米结构的尺寸变大。SEM与XPS测试结果证明表面的In并没有因为衬底温度过高而全部偏析。根据实验结果推测, In&Al液滴同时沉积到表面形成InAl混合液滴。当液滴完全晶化后纳米结构中心出现孔洞, 而产生这一现象的主要原因是液滴向下刻蚀。

采用液滴外延法在GaAs(001)衬底上生长In液滴，利用原子力显微镜(AFM)对不同衬底温度下生长的样品进行表征，观察其表面形貌。研究表明In液滴的生长对衬底温度十分敏感，随着衬底温度的升高，液滴密度逐渐减小，液滴尺寸逐渐增大。分析了In液滴在不同衬底温度形成过程的物理机制，解释了该实验现象的原因。根据成核理论中最大团簇密度与衬底温度之间的关系，拟合计算出In液滴密度与衬底温度满足的函数关系为nx=5.17 exp(0.69 eV/kT)。

量子点的性质主要由其密度及尺寸参数控制，而原子在衬底上的成核运动又决定了量子点的密度、直径、高度等参数，因此研究原子的扩散成核过程对自组装制备量子点具有重要意义。本文通过分子束外延生长技术研究了GaAs(001)表面金属铝液滴的成核过程，发现衬底温度和金属铝沉积速率的变化直接影响了液滴的尺寸、密度以及形状等特征。根据经典成核理论分析GaAs(001)表面金属铝液滴空间分布与几何结构的演化规律，推导得出表面金属铝液滴密度与衬底温度、金属铝沉积速率的关系方程。在此基础上，进一步计算得出液滴形成过程中未成核态、临界成核态、成核态三种亚稳态所包含的最小原子数分别为1个、2个、5个。

近年来，半导体量子点特别是InAs量子点的基本物理性质和潜在应用得到了广泛研究。许多研究者利用InAs量子点结构的改变以调制其光电特性。本文采用液滴外延法在GaAs(001)表面沉积了不同沉积量的In(3 ML、4 ML、5 ML)，以研究In的成核机制和表面扩散。实验发现，随着In沉积量的增加，液滴尺寸(包括直径、高度)明显增大。不仅如此，在相同的衬底温度下，沉积量越大，液滴密度越大。利用经典成核理论，计算了GaAs(001)表面In液滴形成的临界厚度为0.57 ML，计算的结果与已报道的实验一致。从In原子在表面的迁移和扩散，以及衬底中Ga和液滴中的In之间的原子互混原理解释了In液滴形成和形貌演化的机理。实验中得到的In液滴临界厚度以及In液滴在GaAs(001)上成核机理，可以为制备InAs量子点提供实验指导。

为探究Al液滴在GaAs表面的熟化行为，利用液滴外延法在GaAs衬底表面制备Al液滴。在零As压环境下，通过控制退火时间有效控制Al液滴的生长、成核。结合热力学原理和晶体生长理论对样品形貌变化现象进行物理解释，构建出液滴形貌变化过程中熟化、刻蚀和扩散行为的基本模型。理论计算表明，液滴在熟化行为达到退火239 s的平衡点后，被向下刻蚀和向外扩散两个行为同时消耗。

基于密度泛函理论，对Al组分由0～1变化时AlxGa1-xAs体系的晶体结构、差分电荷密度、光电性质以及热力学性质进行第一性原理计算。得到AlxGa1-xAs体系的晶格常数a与Al组分x之间呈线性增加关系。能带结构图显示其禁带宽度将随掺入Al组分x的增加而变大，并且当x≥0.5时，体系能带由直接带隙变为间接带隙。静介电系数ε1(0)随掺入Al组分增加而减小，吸收系数带边随x增大而发生蓝移现象。由材料体系的德拜温度随Al组分的变化情况可知，Al组分增加，体系的声速和弹性劲度常数也相应地增大，高温时比热容的非线性增大是单位质量内AlxGa1-xAs的原胞数非线性增加所导致。通过分析不同Al组分下AlxGa1-xAs体系的光电特征、热力学性质，从而为AlxGa1-xAs在光电子器件以及太阳能电池等方面的应用以及后续的深入研究打下理论基础。