深入理解由金属吸附在半导体表面的所引起的各种表面再构，对很多技术应用如基于金属的各种半导体器件到电子线路中的各种连接点都是不可缺少的。在生长的最初阶段，亚单层的金属吸附在半导体表面上常常会引发比清洁表面更为丰富的再构结构。这些再构对材料的生长过程、最终的电学性能都有十分重要的影响。在对这类表面的长期研究中，一个始终困扰的问题是缺少一个一般性的指导原则，以帮助人们系统地认识复杂现象背后的一般物理，从而更有效地优化和控制相关材料的生长。 在本文中，我们从传统的只适用于一般半导体表面的电子计数模型出发，发展了一个可以描述和处理由各种金属诱导的更为复杂，也更为丰富的研究表面再构问题的一般理论，提出一个全新的扩展的电子计数模型(GEC)。新模型基于这样的事实：即沉积到半导体表面的金属原子，更敏感于电荷转移，而不是像半导体原子那样倾向于形成方向性很强的共价键。这样，在GEC里，沉积到表面的金属所起的作用类似于一个电子的仓库，它将向半导体表面提供或接受恰好所需的电子，以使新出现的再构表面上所有的半导体原子满足传统电子计数模型的要求，即“电负性相对较高的元素，其悬挂键全部饱和；电负性相对较低的元素，其悬挂键全部空置”，以此降低表面系统的能量，使其达到一个相对稳定的状态。应用GEC模型于给定的系统，可极大地缩小寻找可能的稳定表面结构的搜索空间。在今天主要借助于第一性原理计算来寻找这类再构的研究中，这样的任务显得尤为重要和迫切。我们首先预测了一系列的金属(包括碱金属、s-p金属、过渡金属、贵金属等)在GaAs表面所引起的各种再构，然后通过与第一性原理计算和实验结果相比较，证明了GEC的普适性和重要性。此外，对于磁性元素如Mn，GEC模型还直接给出了表面再构和被吸附的过渡金属的局域磁矩之间奇妙的一一对应关系。因为表面的磁学性质与局域磁矩之间有着密切的关系，因此可以说GEC还提供了一种精确表征Mn/GaAs(001)相关磁性的手段。 对于碱金属原子吸附的情况，如Na(Cs)/GaAs(110)系统，结合GEC与第一原理计算，我们成功地确定了这类系统的组成结构单元，展示了退驰豫现象在这一类表面体系的普遍性，给出了与实验符合很好的碱金属链的结构，并利用单元之间的电偶极相互作用，解释了碱金属链形貌的两个显著特征，即金属链沿[1-10]方向的固定走向及沿[001]方向均匀的链间距。此外，我们还计算了Al(In)/Si(111)7x7系统全同量子点阵的能带结构，给出了这一系统的一些电子结构方面的奇特特点。所有这些研究表明，在基于表面的纳米结构形成过程中，结构的稳定性强烈依赖于结构中的电子总数。