由于金属纳米颗粒具有独特的性质,在光电子器件、生物传感器等多个领域具有广阔的应用前景。研究金属纳米颗粒的合成、性质及其应用成为目前纳米材料领域关注的重点。高剂量金属离子注入结合各种氛围下的热处理已成为固体材料尤其是氧化物绝缘体材料中合成金属及相关氧化物纳米颗粒的一种重要手段,固体材料中注入纳米颗粒的形成及其注入缺陷的引入不可避免地将对材料本身的性能产生至关重要的影响,因此,研究注入纳米颗粒合成的规律及对材料物性的改变不仅有助于深入认识离子与固体相互作用的基本过程,而且也可为多功能新材料的制备提供实验依据。本论文采用45 keV Zn离子注入Al₂O₃单晶到剂量1×1017 / cm2,借助于紫外-可见光谱仪（UV-Vis）和X射线衍射仪（XRD）详细地研究了Zn纳米颗粒的合成及其在氧气氛围下退火过程中发生的演变;同时采用UV-Vis和光致发光谱仪（PL）研究了纳米颗粒形成以及注入缺陷产生和演变对Al₂O₃单晶光学性能的影响。通过研究,得到了以下主要研究结果:（1） Zn离子注入Al₂O₃单晶样品,注入态中就在样品的浅表面区域产生了Zn的纳米颗粒,它导致了波长位于300 nm左右的一个强的等离子共振峰（SPR）,随后氧气气氛下的热处理导致了Zn纳米颗粒的生长和逐渐向ZnO纳米颗粒演变,该过程依赖于热处理的温度。研究发现,在400℃退火时,主要是Zn纳米颗粒的生长,而当温度增至500℃时,Zn纳米颗粒开始氧化,形成Zn-ZnO芯壳结构的纳米颗粒。700℃退火则会导致绝大部分Zn纳米颗粒转变成ZnO纳米颗粒。（2） UV-Vis测试结果显示,高剂量Zn离子注入Al₂O₃单晶除形成Zn纳米颗粒外,在样品的注入区域中同时还引入了大量的缺陷,引起了可见光区域中强吸收带产生,经分析,这些缺陷主要是F2+、F、F22+、F2-色心等,随后的热处理导致这些色心发生了演变和转化,使得可见光区域中光吸收性能逐渐恢复。（3）发光光谱研究结果表明,原始的Al₂O₃单晶中存在一定量的本征缺陷,它们导致了一个在近紫外区域的发光宽峰,Zn离子注入Al₂O₃样品导致样品晶格遭到破坏,使得该本征发光峰强度明显减弱,同时在可见光区域（峰位约为550 nm）产生了一个新的较强的发光峰。随后的热处理导致发光峰强度在400-600℃范围内增强。另外就600℃退火情形而言,通过对发光峰的拟合,我们发现了ZnO发光的贡献。借助于注入产生的缺陷及其可能演变对发光现象进行了初步的解释。论文同时还采用卢瑟福背散射（RBS）分析技术对注入Zn原子的深度分布及其在热退火过程的变化进行了研究,结果发现注入Zn原子虽然在退火过程发生了向表面的扩散,但即使在最高的退火温度,大部分Zn原子仍保存了下来。基于该结果以及考虑到退火过程中O原子的扩散对Zn及ZnO纳米颗粒的形成进行了一定的解释。