氧化铝广泛用于陶瓷、LED衬底、催化以及地球化学研究领域。为了调控吸附和表面改性等性能，需要准确表征和可控调节氧化铝/水溶液界面的荷电性质，表征氧化铝表面荷电状态的最重要参数是零电荷点（PZC）。然而，大量文献结果表明即使是单晶α-Al2O3(0001)面这一简单体系，其PZC测量值差异达5个pH单位，且低于经典表面羟基质子化模型的预测值，造成实验结果差异性的原因是PZC值取决于表面微观结构和水化表面的各种羟基官能团的种类、分布和数量，而目前实验却忽视了样品表面结构的详细表征和控制。本论文通过对模型体系α-Al2O3(0001)单晶样品的详细清洗前处理、表面微观结构控制和水溶液界面荷电性质研究，获得了表面结构可控的单晶氧化铝(0001)面的PZC值，实现了对已有羟基质子化模型的初步检验并提出了改进的模型。通过综合运用多种表征分析方法—接触角测量、XPS元素分析和原子力显微镜（AFM）形貌表征，对氧化铝单晶清洗方法进行了系统研究。我们对比研究了多种湿化学、干式清洗方法和文献报道清洗方法针对污染较为严重氧化铝单晶样品的清洗效果。结果表明，湿化学单步溶液/溶剂清洗法不能有效去除表面的污染物；紫外辐照和等离子体两种干式清洗法较适于去除少量有机污染物；传统的RCA清洗法处理后，残留的少量污染物致使平台－台阶结构不清晰。通过对已有湿化学和RCA清洗方法的改进，提出了一种多步湿化学清洗方法，具体步骤为：单晶样品在表面活性剂和乙醇浸泡处理后，再应用调控配比的H2SO4＋H2O2，NH3＋H2O2＋H2O和HCl＋H2O2＋H2O溶液分别进行加热处理，新方法能有效去除单晶氧化铝表面的无机和有机污染物，表面平台－台阶结构清晰，且具有很好的重现性。清洗方法的突破为后续表面结构调控和荷电性质研究奠定了基础。通过连续改变单晶氧化铝(0001)面切割向错角、等离子体处理和高温退火三种方法，对单晶样品表面进行微观结构调控研究。对单晶样品表面台阶和缺陷密度进行调节，实现表面不同配位羟基比例在一定范围内连续变化，并利用AFM进行了纳米尺度表征。结果表明，增加向错角可以有效降低台阶宽度，使台阶宽度由80nm（0.1°向错角）减小到1.3nm（10°向错角），从而增加了台阶密度，计算得到双配位羟基（Al2OH）比例相应由99.93%降至96.30%（基于平台上无缺陷的假设）。样品经5min~30min等离子体蚀刻后，表面缺陷随处理时间延长而增多，直至表面平台－台阶结构消失，表观Al2OH比例由99.89%降至约75%（同样基于平台上无缺陷的假设），限于AFM表征没有达到原子级分辨，计算所得的Al2OH/AlOH比值应有一定误差（偏大，没有考虑空位缺陷边缘的AlOH数量）。样品经高温真空退火处理，控制退火温度和时间分别为1000℃1h以及1400℃10h，表面台阶合并导致台阶宽度和高度增加，台阶密度减小，Al2OH比例分别为99.84%和99.77%。应用AFM胶体探针技术，对表面结构可控的单晶氧化铝(0001)面的PZC值进行微区作用力测量和水溶液界面荷电性质研究。在不同pH值的10-3mol/LKNO3电解质溶液中进行微区力测量实验，结合双电层作用理论获得表面扩散层电势，确定了具有不同配位羟基比例的(0001)面的PZC数值。结果表明，表面台阶密度越小、缺陷越少、表面Al2OH比例越高的样品（如退火后水化处理以及低向错角样品），PZC就越低，我们认为最低的PZC=5.4体现了Al2OH的本征性质；反之，表面台阶密度越大、缺陷越多、表面Al2OH比例越低的样品，PZC就越高，如最高的PZC=6.9对应等离子体处理的样品。本研究的结果支持目前的Bickmore多位络合模型，即Al2OH在酸性环境下具有质子活性，不支持经典MUSIC模型的Al2OH为质子惰性的观点。应用改进多位络合模型，初步自洽地解释了现有实验PZC数据，并基于本实验结果的基础上提出一新的质子化模型。