寻找和构建具有奇特物性的量子材料是当前凝聚态物理领域的核心问题之一。铜氧化物高温超导体作为目前常压下超导转变温度最高的材料,是研究强关联物理和非常规超导电性微观机理的理想体系。在本论文中,我们利用分子束外延技术（MBE）成功制备了组成铜氧化物高温超导体最重要的超导层-铜氧面（CuO₂）超薄膜,并利用原位低温扫描隧道显微镜（STM）对其原子结构和电子结构进行了表征。论文取得的主要研究成果如下。以超高真空中解理的Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ（Bi-2212）单晶作为衬底,我们首次成功制备了原子级平整的单层CuO₂薄膜,并对其电子结构和超导特性进行了扫描隧道谱的研究。我们发现,在单层CuO₂薄膜上,存在两种类型的低能准粒子激发,即关于费米能级对称的U型能隙和V型能隙。通过变温实验研究,我们揭示V型能隙来源于衬底的赝能隙,而U型能隙对应于超导能隙。通过研究它们对非磁性杂质的响应,我们证明CuO₂薄膜的超导能隙具有s波的配对对称性;Bi-2212表面的赝能隙随碱金属吸附的增加单调增加,证明赝能隙来源于BiO面,与超导没有直接的关系。在此基础上,我们提出了基于调制掺杂的电荷转移模型,并用它解释了铜氧化物的复杂相图,这包括超导转变温度随掺杂浓度的变化关系、正常态的奇异金属行为和电子-空穴掺杂的不对称性等等。该模型为寻找高温超导体提供了新的指南。相比于被广泛研究的空穴型铜氧化物超导体,电子型铜氧化物由于制备困难和难以真空解离等特点,目前鲜有深入的研究。无限层的SrCuO₂由于结构简单,终止面为超导的CuO₂层,是研究铜氧化物高温超导电性微观机理的理想材料之一。利用MBE技术,我们在Nb掺杂的SrTiO₃（001）衬底上制备了高质量的铜氧化物母体SrCuO₂,对其表面原子结构进行了原位的STM表征。我们发现,CuO₂极化表面上氧原子通过周期性的扭曲补偿极化灾难,从而导致了2?2的表面重构,而相应的晶格对称性也由C₄变为C₂。随着高温退火导致的氧空位缺失,我们还观测到了非公度的一维条纹相结构。进一步通过改变生长温度,我们还可以获得斜方的SrCuO₂,该结构具有一维特性,存在自旋-电荷分离的物理特性。