有序排列的磁性纳米结构由于其丰富的物理性质和在数据存储方面的潜在应用而受到广泛关注。随着现代生长和成像技术的进步，构造原子量级的结构和探测它们独特的性质已经成为可能。利用扫描隧道显微镜进行原子操纵和自组织生长是构造这样的原子尺寸结构的两个主要手段。原子操纵具有构建任意几何形状的结构的优势，而自组织生长能以相对大面积均一性和较经济的方式构建有序结构。在贵金属(111)表面上，由衬底传递的吸附原子之间长程相互作用产生的自组织生长正是其中比较有代表性的一类。另一方面，在用原子操纵构建的纳米尺寸的围栏中，二维量子受限效应能够被利用来调控原子扩散行为以及构建奇特的原子结构。这篇论文主要介绍我博士期间的以下几个工作:(1)在Ag(111)上自组织生长的Gd原子超晶格:扫描隧道显微镜和动力学蒙特卡洛模拟研究，(2)一维原子弦的隧道谱学:台阶边的重要性，(3)纳米尺寸Fe围栏中Gd吸附原子的二维量子扩散行为。　　(1)利用扫描隧道显微镜，我们在低温下研究了Ag(111)表面自组织生长的Gd原子超晶格。利用实验测得的单个Gd原子在Ag(111)上的扩散势垒和Gd吸附原子之间的长程相互作用，我们讨论了超晶格的形成机制，也验证了之前提出的形成优质超晶格的前提条件的正确性。用这些实验测得的参数，动力学蒙特卡洛模拟也重复出了同样有序的结构。在Ag(111)表面两种不同的镧系原子都实现了有序超晶格，进而我们预测，因为相同的外层电子结构和类似的原子半径，其他的镧系原子也能在Ag(111)上形成类似的自组织生长有序结构。　　(2)利用扫描隧道显微镜和隧道谱，我们在低温下研究了Ag(111)表面的一维原子弦:自组织生长出的Gd原子弦和原子操纵得到的Fe原子弦。Gd原子形成的原子弦具有3.0 nm的周期，位于上台阶面上且距离台阶边2.5 nm处。扫描隧道谱结果显示Gd原子弦具有+65 meV处的特征峰，这与平整台阶面上原子弦的紧束缚计算结果完全不一样。为了弄清楚实验与理论不符合的原因，我们利用原子操纵，在平整表面以及台阶边附近分别构建了Fe原子弦。当考虑了原子弦所处的具体环境后，两种原子弦的扫描隧道谱均与理论计算很好地符合。我们的发现表明，对于台阶边引导的自组织原子弦的电子态性质，原子弦中吸附原子和台阶边衬底原子引起的电子散射同样发挥重要作用。　　(3)利用扫描隧道显微镜和动力学蒙特卡洛模拟，我们研究了直径为30 nm的Fe量子围栏中的Gd原子扩散行为。在围栏中的Gd吸附原子分布概率形成了几个轨道，而且其与隧道谱结果所显示的费米能级处的电子局域态密度震荡紧密相关。进一步增加覆盖度，Gd原子会在圆形量子围栏附近形成环状结构以及量子洋葱态。我们利用实验测得的长程相互作用进行的动力学蒙特卡洛模拟和量子受限效应很好地解释了这些结果。我们的这些发现展示了Gd原子的扩散行为确实受到量子围栏的显著影响，以及奇特的原子结构可以通过控制覆盖度来实现。