石墨烯(graphene)是一种近年来广受关注的新型低维碳纳米材料，它是由碳原子六元环组成的蜂巢状格子构成的单原子厚度平面薄膜。因其具有高力学强度、高载流子迁移率、室温量子霍尔效应以及自旋输运等优良物理特性，被科学界视为在微电子器件、传感器和电极材料等诸多领域非常有应用潜力的新一代材料。尽管前景诱人，高质量石墨烯材料的大规模可控制备是当前制约石墨烯研究以及应用的一个瓶颈。　　 本文的工作是基于石墨烯的外延制备而展开的，目的是探索过渡金属表面外延石墨烯的结构、生长机理、最优生长条件以及新的应用。本文使用超高真空(UHV)环境的制备方法和扫描隧道显微镜(STM)、俄歇电子能谱(AES)和X光电子能谱(XPS)等表征手段，研究了金属-石墨烯体系三个方面的内容：Ru(0001)表面大面积高质量外延石墨烯的制备；Pt(111)表面多畴石墨烯结构及生长机理研究；应用Ru(0001)表面外延石墨烯的Moiré图案为模板制备Pt、Pd、Ni、Co、Si、In和Ce等多种元素的纳米团簇和界面插层结构。　　 第一部分内容以Ru(0001)为衬底，利用碳杂质偏析法，通过选择最佳的制备参数，在衬底表面制备出了大面积高度有序的外延石墨烯。首先利用AES和XPS谱表征了样品表面的元素成分，确定了碳从衬底体内的析出。然后通过LEED衍射图案和STM形貌像发现了石墨烯与衬底叠加形成的周期性起伏的六方Moiré图案。同时结合高分辨的STM图和基于DFT的理论模拟进一步研究了Moiré超原胞的精细结构，发现了超原胞内碳原子相对衬底位置的变化引起它与衬底相互作用的变化，从而解释了石墨烯的周期性起伏的起因及超原胞三个典型区域的差别。LEED和STM证明了本文所制备石墨烯样品整体的单一取向、高度有序性以及沿衬底台阶的连续性。此外，本文还研究了高温退火的方法可以修复由低强度Ar离子轰击制造出的不同密度的石墨烯缺陷。最后，本文在单层石墨烯的基础还探索了双层石墨烯的制备，发现第二层石墨烯在首层与衬底的界面成核生长，其中表层的石墨烯保留了自由石墨烯的电子结构特性。　　 第二部分为了研究弱作用衬底对石墨烯生长的影响，以Pt(111)为衬底。本文利用乙烯分子高温裂解法在Pt(111)表面制备出了具有多种旋转畴结构的外延单层石墨烯。通过控制成核温度、降温速率等参数成功制备出了不同成核密度的石墨烯样品，并研究了成核密度对石墨烯质量的影响。本文发现降低石墨烯的成核密度可以大大提高Pt(111)衬底上石墨烯的结晶性。为了研究多畴结构，本文首先利用LEED衍射图案分析不同成核温度下石墨各种畴所占的比例，得到了不同成核温度下石墨烯转动畴的优先取向：其次利用STM和LEED研究了石墨烯2×2、3×3、4×4(√37×√37)R21、(√61×√61)R26和(√67×√67)R12等六种旋转畴的精细结构，最后还研究了不同转动畴上的缺陷结构，以及畴间具有不同形貌的三种典型的畴界结构。　　 第三部分是关于石墨烯Moiré图案在纳米团簇生长方面的应用以及不同元素在石墨烯-金属界面的插层结构。本文以Ru(0001)上石墨烯Moiré图案为模板制备并详细研究了Pt纳米团簇，发现：Pt原子在模板上形成四种典型的Pt纳米团簇；每种Pt纳米团簇都具有高度均一的尺寸；所有Pt纳米团簇的吸附位置都在石墨烯Moiré图案原胞内的β区域；其生长模式为1-4层的层状生长。通过控制Pt在模板上的覆盖度可以控制不同层数Pt纳米团簇的比例，从而可以做到在一定程度上控制其尺寸。　　 本文还研究了这种Moiré图案模板上Pd、Co、Ni、Si等元素纳米团簇的生长以及Pt、Pd、Co、Ni、Ce、In等元素退火之后在石墨烯-Ru界面形成上的插层结构。Pd、Co、Ni等金属元素在模板上可以形成单分散的纳米团簇，但是室温下其尺寸较大往往超出模板原胞的周期；而Si元素可以形成1-4层的纳米团簇，其生长模式与Pt及其相似。Pt、Pd、Co、Ni等元素的纳米团簇在500℃-800℃退火之后扩散进入石墨烯与Ru的界面形成单原子插层岛，其直径因元素而异，一般小于50nm，岛上的石墨烯仍然具有Moiré图案。而In和Ce则会形成大面积多原子层插层岛，其上的石墨烯变得非常平坦。值得注意的是Ce会形成部分插层的结构，导致石墨烯形成周期性排列的坑。