本论文主要介绍合作搭建的超高真空(UHV)-变温(VT)-光学扫描隧道显微镜(OSTM)系统和利用该系统开展的相关研究工作,包括链状分子(4,4"-二氨基对三联苯(DAT)与并五苯)在Au(110)上的生长与结构研究和在Ag(110)上利用固态碳源生长准自由态石墨烯纳米岛等。此外,由于STM系统在化学分析和时间分辨方面上的能力较弱,超快激光技术与STM系统结合,能弥补STM系统该方面的能力缺失,为此设计并搭建了激光耦合STM系统的超快激光光路部分。1.合作搭建的超高真空-变温-扫描隧道显微镜系统包括了系统结构,泵路,气站,针尖与样品处理台,扫描头,连续流低温恒温器以及光学调整台等部分。在系统搭建完成后,对系统的各项功能进行了测试。在室温下利用该系统能够获得Au(111)表面清晰的原子图像,且该系统变温操作简单快速,在各个温度下都能有很好的成像能力。由于后续的实验工作都是在该系统上完成的,都获得了很好的实验数据。因而,该系统性能优秀,已达到预期的设计目标。2.通过改变样品退火温度实现调控单层4,4"-二氨基对三联苯(DAT)分子在Au(110)表面上的生长结构。单层DAT分子沉积在Au(110)表面后,样品低温(100℃)退火,会使得表面形成(1×5)重构结构,DAT分子会以肩并肩方式居中吸附在该沟道中,形成梯子型结构。样品退火200℃后,Au(110)表面形成(1×5)与(1×3)两种重构结构。对于(1×5)重构结构中的DAT分子,单端氨基会脱去两个氢原子并与Au原子形成N-Au键,以-2H-DAT形式吸附在该沟道中。而对于(1×3)结构中的DAT分子,所有分子以头接头方式吸附在该沟道中但仅部分DAT分子双端氨基全部脱氢以-4H-DAT结构存在。当样品退火350℃后,Au(110)表面仅存(1×3)重构结构,所有DAT分子双端脱氢,以-4H-DAT结构吸附在该重构结构中。相关的DFT理论计算证明(1×5)重构结构中的DAT分子脱氢与金成键势垒较(1×3)重构结构中的DAT分子脱氢势垒小,这也验证了实验结论。这样通过改变样品退火温度,可以调控DAT分子在Au(110)表面上的自组装结构。3.在Au(110)上通过调控并五苯分子覆盖度和退火温度,能够形成一维金属有机结构。并五苯分子从亚单层到单层的生长过程中,样品退火200℃会诱使Au(110)表面形成(1×3)与(1×6)的重构结构,并五苯分子分别以头接头方式与肩并肩方式排布在这两种结构中。由于并五苯分子与Au(110)表面间的相互作用,(1×6)重构结构中的并五苯分子中心会表现出小亮点。对单层并五苯样品退火250℃后,并五苯分子仅存在于(1×6)的沟道中,且通过并五苯分子中心的-CH与金原子形成的配位键作用,生成了一维金属有机链状结构。该结构的形成不借助于有机分子的特殊官能团,且能保留并五苯分子的本征特性。最后在单层并五苯样品上继续生长双层并五苯结构,退火200℃后,发现顶层分子仅排布在底层的(1×3)结构上,且成拱形结构。4.在Ag(110)表面上利用固态碳源可以生长出准自由态的石墨烯纳米岛。实验中发现,通过改变碳原子的沉积速率和衬底温度,可以调控石墨烯纳米岛的质量与形貌。在较小的沉积速率和较高的衬底温度时,生成的石墨烯纳米岛质量最好。并且通过拉曼光谱,STS一阶谱以及STM针尖操纵证明了该石墨烯为准自由态石墨烯。由于石墨烯与Ag(110)表面的晶格失配,在Ag(110)表面形成了多种线条状的摩尔超结构,通过构建的理论结构模型,证明该结构确实源于石墨烯与Ag(110)表面的晶格失配。5.由于STM系统在时间分辨和化学分析方面上的能力较弱而激光技术在这方面具有很多优势,因而将超快激光技术与STM系统结合,有希望全面提升STM系统的研究能力,在超高时空分辨能力,针尖增强拉曼光谱以及激光诱导化学反应或形变等体系研究上有很好的前景。因此,设计并搭建激光耦合STM系统的超快激光光路部分,还对激光入射到隧道结的过程和工作模式进行了分析。这对于后续的相关研究,起到重要作用。