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金属铋(Bi)的体材料和表面拥有很多奇特的电子结构和输运性质。由于Bi体材料独特的电子性质,很早以前人们就在Bi单晶中发现了磁振荡现象。这些磁振荡现象和Bi体材料的朗道量子化有关。因为Bi体材料的费米面在动量空间只占有很小的体积,并且表现出高度的各向异性。在沿着三次轴方向也就是(111)方向施加约9T的外磁场下,很容易就达到Bi体材料的量子极限(quantum limit),即在输运测量中所有载流子都被限制在最低的朗道能级,因而朗道量子化不再反映在输运测量中。近年的一些研究中陆续在Bi体材料中观察到了一些新奇的现象,如所谓的Bi体材料的分数量子化、能谷极化(valley polarization)、强场下的狄拉克电子相变等,但这些现象的物理机制引起了极大的争议。其中一个可能原因是在这些测量中,忽略了Bi表面电子态的作用。然而,迄今为止,人们对表面电子态的朗道量子化现象还没有实验观测。表面电子态的朗道能级很可能在体态朗道能级测量中表现出来,而引起分析中的困难,甚至引起对Bi体材料物理机理的认识偏差。单晶Bi是菱方结构的,其三次对称轴正好垂直于(111)表面。Bi(111)表面呈蜂巢状的双原子层结构,是Bi单晶的自然解理表面,也是外延生长薄膜的倾向表面。Bi(111)表面态由于很强的自旋轨道耦合作用而产生Rashba自旋分裂,使得Bi(111)的表面态和体态有很大的差异。首先,表面能态直接跨越费米能级,使得Bi(111)表面呈现金属性。输运测量就发现表面态对Bi(111)薄膜的电导有很大的贡献。其次,Rashba自旋分裂使得Bi(111)表面态呈现涡旋状的自旋结构,也被角分辨光电子能谱(ARPES)实验所证实。因为Bi(111)表面容易通过解理或外延生长手段而获得,且其表面态拥有独特的电子结构和自旋结构,所以Bi(111)表面有非常大的研究价值。扫描隧道显微镜(STM)的高空间分辨,高能量分辨,以及表面敏感的特性,使得其特别适合用于对表面二维电子系进行探测和研究。本论文的主要工作就是利用STM研究在Si(111)-7×7表面外延生长的Bi(111)超薄薄膜。重点研究了Bi(111)表面态的郎道量子化和干涉驻波,以及表面磁性原子对Bi表面电子散射作用。第一章,首先简要地介绍了STM的工作原理和结构。然后,介绍我们实验所用的极低温、强磁场、超高真空扫描隧道显微镜系统。最后,介绍了获得各种极端实验条件的技术和实验方法。第二章,首先简单介绍了Bi单晶和薄膜材料的一些基本性质,并阐明对Bi(111)超薄薄膜的研究意义。然后,介绍了在Si(111)-7×7表面外延生长Bi(111)超薄薄膜的方法。最后利用第一性原理计算的结果很好地解释了Bi(111)表面扫面隧道谱的特征。第三章,利用强磁场下扫描隧道谱(STS)测量,成功分辨出Bi(111)表面态的朗道量子化。在强磁场下,STS谱出现能量分立的峰。这些分立峰会随着磁场的增加而变化,呈现出朗道能级的特征。利用类比于传统磁阻振荡实验的分析方法再结合第一性原理计算,我们推断所观察到的强磁场下STS谱中出现的分立峰是Bi(111)二维表面态朗道量子化的结果。第四章,研究了Bi(111)薄膜表面吸附缺陷和原子台阶附近的驻波。这些驻波其实是材料中准粒子的干涉波,因此也被称为准粒子干涉。利用第一性原理计算得到的表面态能带结构加上手性的自旋结构,我们得到了较好的对驻波傅里叶变换图样的模拟结果。实验证明Bi(111)表面态具有涡旋状自旋结构。第五章,研究Co原子在Bi(111)薄膜表面的吸附。利用STM图像和理论计算,我们确定了Co原子在Bi(111)薄膜表面的填隙吸附结构。吸附中心的dl/dV谱在费米能级附近呈现出类似表面吸附磁性原子Kondo共振的特征。这种共振特征的宽度会随温度升高而加宽。