二维材料科学是现代科学技术的一个重要前沿领域。随着材料制备技术和相关分析手段的不断发展,人们现在已经能够制备和生长原子尺度或纳米尺度的二维材料,并且预期这些二维材料的结构及其与体材料完全不同的新奇性质和功能。然而,它的最终性能与其生长过程是密切相关的,因此对二维材料结构的控制生长,以及生长物理机制的研究等显得尤为重要。在此研究过程中,扫描隧道显微镜（STM）是很好的表征手段,它不仅能在原子尺寸上表征纳米材料的结构形貌,还能获得表面电子结构等信息。金属酞菁（MPcs）二维材料作为一种自组装的有机二维材料,结构稳定,对称性好,在气体传感器、有机效应晶体管、有机发光器件和太阳能电池等方面都具有广阔的应用前景,越来越多的国内外表面物理研究人员对其展开了如火如荼的研究。自1989年IBM阿尔马登（Almaden）研究中心得到MPcs分子的高分辨STM图以来,MPcs吸附在金属表面（如:金、银、铜等）和绝缘体表面（如:氯化钠）的几何吸附以及电子结构被广泛研究,然而MPcs吸附于半金属表面（如:铋）及其从单层体系到多层膜体系的结构转变鲜有报道。金属二维材料在半导体硅表面的生长是薄膜材料科学中传统而有生命力的研究热点。Ga吸附于半导体Si（111）-7×7表面作为典型的ⅢA族金属吸附在硅表面,受到了人们的广泛关注。室温下沉积Ga原子覆盖度达到1/3 ML,退火温度达到550℃时,（?）×（?）-Ga R30o结构出现。增加Ga原子覆盖度到1 ML,各种不同的重构结构可以得到,如Ga-6.3×6.3,Ga-11×11,Ga-6（?）×6（?） R30o和Ga-1×1。前三种重构已经采用低能电子衍射（LEED）和STM被证实,而Ga-1×1仅通过LEED测量观测到,实空间的STM观测有待进一步研究。在二维材料的生长过程中,界面结构通常对其形态起着关键性的作用。了解界面结构及其演变是我们研究二维材料外延生长机制的基础。在过去几十年中,人们采用不同的实验技术探测外延生长二维材料的界面结构已取得较为显著的成果。然而,在原子尺度下无损的观测界面结构依然存在着很大的挑战。近年来人们发现,STM可以观测到深埋的金属-半导体界面结构。在Pb-Si（111）体系中,Pb薄膜看起来就像是透明的,界面结构可以直接显示出来。本文围绕上述问题,利用超高真空低温隧道显微镜（LT-STM）对酞菁钴（CoPc）在半金属铋表面的外延生长、金属镓和金属镉在半导体Si（111）表面的外延生长进行了研究,并对其生长机制及物理性质进行了探讨。本文的主要研究内容和实验结果如下:1.CoPc分子在半金属衬底Bi（111）上自组装过程中的结构转变在低覆盖度下,沉积在衬底Bi（111）上的孤立CoPc分子可绕着分子中心的Co2+旋转,这说明CoPc分子-Bi（111）衬底间相互作用较弱。当单分子相遇形成分子团簇时,由于分子间范德华力的作用,分子不再旋转而采取"平躺"的形式吸附于衬底上。继续增加分子覆盖度,CoPc形成单层的自组装分子二维薄膜,且分子构型随覆盖度增加出现了由"之字链"（0.75 ML）到"直链"（0.85 ML）,再到"二聚链"（1 ML）的结构转变,薄膜中的分子取向和链取向都沿着衬底Bi（111）的晶向,且同一分子链中分子取向相同。在"之字链"薄膜中,分子取向完全相同,沿着衬底Bi（111）三个不同晶向其中的一个,链取向沿着另外两个晶向。在"直链"和"二聚链"薄膜中,链取向完全相同,沿着衬底Bi（111）的一个晶向,不同链中的分子取向沿着另外两个晶向。"直链"是"之字链"转变成"二聚链"的一个中间态。"二聚链"较"之字链"的堆积密度增加了12.5%。在CoPc薄膜的第二层分子中,分子取向逐渐转变成了"站立"形式。同时,我们发现了一种"平躺链"和"站立链"交替排列的"混合畴",它是由"平躺畴"到"站立畴"的一种过渡畴。继续增加CoPc分子覆盖度,"混合畴"全部转变为"站立畴"。由于第一层分子的屏蔽作用,第二层分子在"分子-衬底相互作用"与"分子-分子相互作用"的竞争中,"分子-分子相互作用"逐渐占据了主导地位,分子取向出现了由"平躺"到"站立"的转变。2.Ga膜在Si（111）-（?）×（?）-Ga衬底上的生长与结构研究我们在Si（111）-（?）×（?）-Ga衬底上生长了单层和双层Ga膜,并利用LT-STM进行了原位检测。经测量得知,单层Ga膜为鲜有报道的4×（?）-Ga,膜厚为0.25 nm。STM图显示这一结构的拓扑形貌图随偏压变化有显著差异。当偏压较高时,Ga膜呈现出条纹状,条纹方向沿着Si（111）晶格方向。当偏压降低时,每个晶胞呈现出三个较大的亮点,其中两个亮点的连线方向与Si（111）晶向成74o夹角。我们基于第一性原理的密度泛函理论并利用广义梯度近似模拟了Ga原子在Si（111）-（?）×（?）-Ga表面的吸附,通过比较低能量体系的STM模拟图与实验图,确定了4×（?）-Ga的晶胞由28个Ga原子构成,原子间以Ga-Ga键结合,形成"镓烯"。第二层Ga膜为1×1-Ga,膜厚0.4 nm。在120°退火处理后,第二层膜由单一的1×1-Ga结构变成了1×1-Ga、6.3×6.3-Ga和5×5-Ga三种相并存的结构。其中前两种是我们所熟知的,而第三种结构5×5-Ga是文献中未见报道过的新结构。5×5-Ga的STM拓扑非常漂亮,每个原胞由七个亮点组成（其中一个亮点为中心,六个亮点均匀围绕在其周围）,形貌酷似"小花朵"。同时,我们发现5×5-Ga结构的相邻原子间距为Si（111）-1×1晶格的（?）倍,它可以被认为是（?）×（?）-Ga结构的修订版。4×（?）-Ga,1×1-Ga,5×5-Ga的结构虽新颖,但它们的热稳定性并不高。将三种结构并存的Ga膜或4×（?）-Ga膜在150°退火,Ga膜结构全部转变成了6.3×6.3-Ga。Ga膜多种结构的出现是"Si（111）-Ga相互作用"和"Ga-Ga相互作用"之间进行着微妙竞争,最终达到平衡的结果。3.Cd（0001）薄膜在Si（111）衬底上的生长与界面成像在Si（111）-7×7衬底上,我们外延生长出了高度平整的Cd（0001）薄膜,并利用LT-STM对Si-Cd（0001）薄膜界面实现了原子尺度下的界面成像。界面成像的分辨率不仅依赖于偏压,且依赖于Cd薄膜的厚度。在不同厚度薄膜上获取的一系列扫描隧道谱（STS）显示,每个厚度的谱线上都会有等能量间距的峰存在。随着薄膜厚度的增加,峰位会逐渐移动,谱线的能量间距也逐渐减小。这些等能量间距的峰以及峰位随薄膜厚度变化都说明了Cd（0001）薄膜在垂直于膜的方向形成了一维量子阱。在Cd（0001）薄膜表面采集STM图时,当偏压位于量子阱的分立能级位置（STS曲线的峰位）,Si-Cd界面成像的分辨率达到最佳,不仅可以看到Si（111）-7×7周期结构,而且12个顶戴原子也清晰可见;当偏压位于量子阱的两分立能级正中间位置（STS曲线两相邻峰位的正中间）,Si-Cd界面成像的分辨率处于最低,而Cd（0001）薄膜表面的原子分辨达到最佳。根据STS的周期性,我们可以算出Cd（0001）薄膜中电子的费米速度为2.2×108（88）/。通过小范围的STS分析,我们发现Cd（0001）薄膜在费米能级附近存在有一个约10mV的带隙,且在Si-Cd界面上的Cd团簇中心获得的谱线比其他位置带隙要稍大,这一带隙说明了界面散射诱导的安德森局域的存在,Cd团簇处的界面散射比其他位置要强。由于安德森局域使得电子运动出现强各向异性,具有了很大的面内有效质量,从而Cd（0001）薄膜具有了完美的透明性。