Pb/Si(111)体系作为典型的金属半导体界面,曾经一直是表面科学领域的研究热点.近年来由于低维量子效应研究的广泛展开,使得Pb/Si(111)体系再度具有特殊的科学意义.该论文工作主要是利用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy, STM)深入研究Pb/Si(111)体系在特定动力学环境下的结构性质.在亚单层(Sub-monolayer)的覆盖度下,通过精确调节衬底温度来改变吸附原子的表面扩散,我们实现了全同Pb纳米团簇阵列在Si(111)-7×7衬底上的生长.结合第一性原理计算,我们确定了纳米团簇为具有六个(幻数)Pb原子的"Pb6"模型,并证明团簇的形成激发了Pb和顶角Si原子(adatom)的相关替换.这种结构与以往报导的Ⅲ族金属纳米团簇相似,但是物理性质有很大差异.这种Pb纳米幻数团簇具有极差的热稳定性:它的全同性只能在狭窄的生长温度窗口(120±20℃)内实现,微小的温度偏移就会造成全同纳米团簇的结构发生变化,由三重对称变为两重对称.从Pb6模型出发,我们相继确定了其它几种Pb纳米团簇,这分别为缺失一个Pb原子或者吸附额外的Pb原子而形成的次稳定结构.对Pb/Si(111)纳米团簇的系统研究除了使我们更深刻的理解"模板+幻数"方法之外,还对探索金属半导体异质外延生长的初期行为和甚至同族的半导体外延Ge/Si(111)体系都提供了重要的信息.随着覆盖度增加到大于两个单层(Monolayer,ML)左右时,开始出现岛状结构(楔形)生长.我们利用STM的原子操纵技术实现了控制几百个纳米大小的Pb楔形岛的精确单层生长,同时触发了上百万个原子在岛与岛之间的自发定向迁移,迁移的长度甚至可以达到几个微米量级.由于Pb在(111)面的费米波长与层间距大约是四倍的关系,Pb楔形岛的量子效应对厚度非常敏感,在奇偶层交替出现干涉增强和干涉减弱并表现出电子干涉现象(类似于光逊系统中的等厚干涉).通过利用量子效应和经典的台阶作用之间的竞争,我们发现了具有量子效应特征的反常形貌演化过程.借助于量子和经典的原动力以及原子的受触发定向迁移,我们能够在大尺度下(甚至微米)随意的控制岛的高度和位置,并构建特定形状的纳米结构和纳米结构阵列.该工作对薄膜和纳米材料的控制性的人工制备开辟了一个新的途径,是对STM操纵技术的一个重要发展,对深入研究量子现象也具有重要意义.