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近年来，以氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料在现代IT产业中得到了广泛应用。GaN基材料可制成高效的蓝、绿光发光二极管(LED)和激光二极(LD，又称激光器)，并可延伸到白光。这些LED或LD有着亮度高、体积小、寿命长、功耗低的优点。然而，与GaN热性能和晶格常数相匹配的衬底材料的缺乏在很大程度上影响了GaN材料的进一步应用。因此，寻找能够外延生长出高质量薄膜的衬底材料一直以来都是GaN研究的重点之一。目前，使用比较多的衬底是蓝宝石、碳化硅、砷化镓和氮化铝等。但是，这些衬底要么不好制备要么价格昂贵。本论文针对这个问题，利用射频等离子体辅助分子束外延(rf-MBE)、反射式高能电子衍射(RHEED)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描隧道显微镜/非接触式原子力显微镜(STM/NC-AFM)和第一性原理计算等手段探索了如何在Si(111)和ZrB2(0001)衬底上制备单一极性的GaN单晶薄膜，并在此基础上对GaN和ZrB2的表面结构及GaN与ZrB2之间的界面结构进行了系统的研究。
(1)利用无定型的Si3N4作为缓冲层在无极性的Si(111)衬底上外延生长出了单一极性的GaN单晶薄膜。对样品表面结构的RHEED和STM研究证明了使用先富N后富Ga的生长方法可以获得单一N极性的GaN，而富Ga条件下的成核只能导致混合极性的出现。
(2)利用气相外延的方法在Si(111)衬底上外延出了高质量的ZrB2薄膜。我们观察到了B诱导的(√3×√3)R30°再构、Si吸附引起的ZrB2(0001)-HT-2×2再构和生长结束后的ZrB2(0001)-LT-2×2再构。利用RHEED、STM和NC-AFM对这三种结构进行了系统的研究，提出了相应的结构模型。
(3)利用rf-MBE方法在原位和非原位生长的ZrB2衬底上进行了GaN的生长，并利用RHEED和NC-AFM对GaN的表面结构进行了表征。我们发现，当衬底温度高于670℃并且Ga/N束流比不是非常大时会获得单一N极性的纤锌矿结构的GaN。当衬底温度较低或者Ga的束流非常高时，便会出现GaN立方相和六角相的混合生长。在高温下，氮化ZrB2会在其表面上形成h-BN层，阻止GaN成核。利用第一性原理计算对GaN与ZrB2衬底之间的界面结构进行了研究，计算结果与实验结果完全相符。