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随着纳米科学的发展和新材料的开发，人们希望借助于硅(Si)基低维纳米材料外延生长的人工微结构，使原有的半导体材料获得更优越的光电特性。锗(Ge)作为同族元素，不仅物理、化学性质相似，而且具有高的迁移率。因此，在Si半导体表面生长Ge纳米结构，有望获得新的半导体材料，它既有良好的光电特性和高的迁移率，又能与成熟的硅超大规模集成技术相兼容。除此之外，在Si表面自组织生长的Ge量子点具有独特的能带特性，可以设计新型的量子器件。通过对量子点的电学和光学特性的剪裁可以直接改性量子器件的物理功能，为下一代全新量子器件的制备奠定物理基础。
本论文主要采用两套超高真空扫描隧道显微镜系统STM1和VT-STM对Ge低维纳米结构的初期生长特别是Ge团簇在Si(111)-7×7表面的形成、生长与电子结构进行了系统的研究，另外还研究了针尖改性对其成像的影响。归纳起来主要做了以下三部分的工作：
(1)逐步研究了基底温度为150℃时，Ge在Si(111)-7×7表面上形成的三角阵列结构、六角密堆积纳米团簇结构的生长过程与电子结构。第一性原理计算表明在电荷转移导致的马德隆能量降低的驱动下Ge团簇逐渐在相邻的电荷耗散的区域成核，并依次生长形成两个团簇、三个、四个、五个团簇以及饱和的团簇圆环。在沉积量为0.5ML时，形成大面积的六角密堆积纳米团簇结构阵列。变温的STM图像表明，在27K～470K的温区内，Ge团簇依然稳定存在。低温的STS测量表明，Ge团簇具有半导体性质。这些实验结果表明，这种Ge团簇在光电技术与纳米科技中具有良好的应用前景。
(2)研究了不同退火温度下Ge纳米结构的动力学演变过程，着重描述了三种典型的纳米结构：具有原子分辨的Ge团簇、排列有序的Ge量子点以及二维Ge岛。在较低退火温度(500-600K)下，获得了具有原子分辨结构的Ge团簇。STS表明Si表面上Ge原子与Ge团簇均表现出半导体性质。随着退火温度的提高，Ge团簇开始分解，形成Ge吸附原子；在退火温度为700K，沉积量为0.6ML下，能够形成均匀吸附在角增原子上的自组织Ge量子点结构；进一步提高退火温度，将导致二维Ge岛的形成。
(3)人工控制获得两种特殊状态的STM针尖，并且利用这两种改性针尖，观察到Si(111)-7×7表面上的两种占据态图像与一种空态图像。研究表明，在占据态Vs=-2.0V的STM图像下，改性针尖①可以观察到Si表面的六个静止原子，而表面12个顶戴原子被屏蔽；在占据态Vs=-2.1v的STM图像下，改性针尖②不但能观察到12个顶戴原子，而且还同时清晰地观察到6个静止原子，并且静止原子与FHUC中项角顶戴原子具有等同亮度。在空态Vs=+1.9V的STM图像中，改性W针尖不仅获得了角洞处微弱的电子态隧穿，还直接在STM图像上观察到了中心原子的电子能级，这与最新报道的低温STS实验结果相吻合。进一步利用这两种改性的针尖辅助我们研究Ge在Si表面上的生长。研究表明，在沉积量为0.12ML时，通过改性针尖①获得Ge团簇在Si表面上的STM图像说明，Ge团簇吸附在静止原子上，而不是在高配位位置。在Ge沉积量为2ML时，利用改性针尖②研究Ge岛上Ge-Si混合，可视的静止原子的高低起伏直接证明，Ge-Si混合不仅仅发生在表面原子上，而且也存在于静止原子位置处。