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Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米材料已经被广泛运用于光电子、微电子和量子通信等多个领域。基于液滴外延技术,许多量子结构（尤其是量子点与量子环）在实验上成功制备并被证明具有许多特有的优良性质,进一步拓展了Ⅲ-Ⅴ体系在未来新型量子器件领域的应用。然而,由于生长过程中不可避免的随机过程,自组装后对纳米结构特性的控制程度仍然有限,而理想器件需要在生长后控制纳米结构特性的能力。为了解决这个问题,有众多小组采用液滴外延的方式制备了不同的Ⅲ-Ⅴ族量子点与量子环,但大多数的研究小组主要集中于对单元素Ga液滴的沉积,对Ⅲ族In、Al元素液滴以及多元素混合液滴在表面的扩散与刻蚀机制目前尚缺乏系统的研究。不仅如此,基于图形化衬底采用液滴外延法制备Ⅲ-Ⅴ族纳米结构鲜见报道。因此综合利用液滴外延方法制备出高品质的量子结构对提高新一代光电器件的性能有着重要意义。本论文从Ⅲ族元素在Ga As表面的基本扩散机制研究出发,重点对平坦Ga As表面上Ⅲ材料体系元素纳米结构的形成进行系统探索,主要研究内容为以下四个方面:一、对Ga元素在平坦Ga As衬底的扩散机制和同心量子环的形成机理进行系统研究。研究结果显示在As压下液滴内的Ga原子有向外扩散和向下刻蚀两种扩散行为。由于As原子对Ga原子的结合导致的扩散限制,采用降温结晶的方式制备出了Ga As同心量子环。在此基础上,采用多步晶化方法,成功制备了多层的Ga As同心量子环。根据现有扩散模型进行拓展,提出一个兼具Ga原子扩散各向异性和As原子“捕捉”扩散Ga原子的Ga液滴表面扩散模型。解释了Ga As同心量子环的形成机理,计算出Ga原子在Ga As（001）表面的扩散激活能为0.7±0.1 e Ⅴ。针对Ga原子表面扩散机制和Ga As同心量子环的生长模型研究,将为Ga As同心量子环的设计和制备提供有效的控制手段。二、研究In元素在平坦Ga As衬底的扩散机制和量子环的形成机理,针对In原子在Ga As表面的液滴成核和各种扩散模式进行深入讨论。在无As压下讨论了In液滴在Ga As成核机制,并发现沉积在表面的In原子分为向外扩散和向下与衬底互扩散的两种扩散行为。利用As原子对In原子的结合导致的扩散限制,制备出In As盘点结构。利用模型计算出In原子在Ga As表面扩散系数为1.2×10-2cm2/s;扩散激活能EIn为0.62±0.05 e Ⅴ。考虑到衬底温度和As压力的大小对In原子扩散的影响,采用降温结晶的方式制备出In As量子环。基于In原子扩散各向异性、As原子“捕捉”扩散In原子和In原子与衬底原子互混的In液滴表面扩散行为,解释了In As量子环的形成机理。三、研究Al元素在平坦Ga As衬底的扩散机制和Al Ga混合液滴的形成机理。基于Al原子在Ga As的成核和扩散,发现了Al原子在表面熟化扩散与向下刻蚀的竞争。提出一个简化的模型用于计算Al原子在Ga As表面的成核原子数,并解释了Al原子在表面的成核机制。基于该方法,本论文系统地研究了扩散时间,沉积速率,衬底温度对Al液滴的成核和Al原子表面扩散的影响。利用经典成核理论计算获得Al液滴的成核能为1.61e Ⅴ,Al原子在Ga As（001）表面的扩散激活能为2.3 e Ⅴ。基于Al原子表面熟化扩散模型,讨论了衬底温度和沉积量对熟化扩散的影响。进一步研究了Al Ga混合沉积液滴,实验结果显示混合沉积后的表面分为纯Al,纯Ga,Al Ga混合液滴三种液滴同时存在。除此之外,对Al（In）混合液滴形成量子环的机制进行了阐述。四、图形化衬底对In原子的表面扩散的影响。采用湿法刻蚀制备具有1.5μm沟壑与2μm平台的图形化Ga As（001）衬底,并讨论了曝光工艺对Ga As（001）表面图形化的影响。实验结果发现由于Schwoebel-Erlisch势垒的存在,In原子在图形化Ga As表面优先在平台上成核并向上攀爬。以此系统研究了退火时间,衬底温度对In原子在图形化表面的成核和扩散的影响。基于这个机制,提出一个模型用于解释In原子在图形化Ga As表面的平台与沟壑之间的扩散规律。采用S-K模式生长了8周期In0.5Ga0.5As混合沉积液滴。实验结果证明了S-K模式下由于到达表面的In和Ga原子的浓度不一致,以及表面衬底As分布的不同导致表面In Ga As QDs含量有差异。实验发现虽然周期性生长导致的应力传递已经大大弱化了表面图形对In0.5Ga0.5As QDs的选择性生长影响,然而仍然受到斜坡处的E-S势垒以及台阶处结合键的影响。综上,本论文总结了Ⅲ族原子在Ga As（001）表面的不同扩散行为,并通过调节衬底温度和As压力制备了Ⅲ-Ⅴ环状纳米结构。计算得到了Ⅲ族原子在Ga As表面的扩散激活能,并深入研究Ⅲ-Ⅴ族纳米结构形成的物理机制,同时提出图形化Ga As（001）衬底对原子扩散的潜在限制,一方面,研究结果对深刻理解Ⅲ族原子在Ga As（001）表面的扩散与纳米结构的形成机制的内在联系,对更加明确Ⅲ-Ⅴ体系的潜在应用具有重要意义;另一方面,为实验研究提供必要的理论指导依据,同时也为研究新型的Ⅲ-Ⅴ量子器件提供新的制备路径。