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金属薄膜是构筑各种微电子器件、磁性存储器件、表面等离子体器件等的基本组成部分。随着器件的尺寸逐渐趋近于纳米尺度，其工作状态更加依赖于对薄膜的形貌、厚度和界面结构的精确控制。另一方面，当材料的尺度缩小至纳米量级时，其物理性质和化学性质会发生很大的变化，即所谓的量子尺寸效应。出现量子尺寸效应的原因是电子在纳米尺寸的材料中的运动会受到限制，并因此而产生出分立的量子化能级；量子化能级的形成会使费米面附近的电子态密度重新分布，从而对材料的物理和化学性质造成显著的影响。为对量子尺寸效应进行系统化的研究，需要在实验中构建一个便于理论分析的电子运动受限模型：而在半导体衬底上生长金属薄膜正是一个理想的一维方势阱体系。在该体系中，金属薄膜中的电子被半导体能隙和真空势垒限制在对应的势阱中，从而形成量子阱态。由于金属的费米波长在纳米量级，如果要对其量子阱态进行研究，在实验中就需要精确制备原子单层量级厚度和平整度的薄膜。
在近期的工作中，研究人员普遍采用低温生长后再退火至室温的方法来制备金属薄膜，即通常所谓的“两步法”。该方法的特点是运用低温技术能够冻结原子在表面上的迁移，从而形成均匀的薄膜。当温度升至室温时，薄膜可以保持其亚稳状态。虽然该方法能够制备出高于临界厚度(通常为4-6原子单层)的原子级平滑的薄膜，但仍存在两个问题有待解决。首先，使用该方法无法制备出临界厚度以下的连续薄膜。由于量子尺寸效应会随着薄膜厚度的减小而更加显著(已经得到了理论和实验的充分论证)，因此，低厚度的薄膜极有科研价值。其次，由于半导体表面通常存在重构，该重构在覆盖了金属薄膜以后通常仍然存在：同时，由于存在这样的重构表面，因此，金属通常首先在表面上形成一个无序的“浸润层”，之后再开始有序的层状生长。该“浸润层”加上部分存在的重构表面，构成了一个相对无序、粗糙的界面。这样的界面，显然不利于电子的限制和量子尺寸效应的形成。为解决上述两个问题，主要做了以下三个方面的工作：
(1)首先，在Si(111)-7×7表面生长√3×√3-Al以清除原有的7×7重构，再利用“两步法”来生长AI薄膜。经过实验观测，发现后期沉积的Al原子已经与形成√3×√3结构的Al原子混合在一起，形成了平滑连续的Al单原子层薄膜。针对此实验结果，使用“幻数晶格匹配”的概念来解释该薄膜在Al-Si界面应力较大的前提下能够稳定存在的原因。
(2)若在Al单原子层上继续低温沉积Al，则会发现有两种奇异高度的岛产生，并且，这两种岛的高度均与Al(111)的面间距有较大的差异；而且我们没有发现高度与Al(111)面间距相符的岛的产生。针对该实验结果，本文利用量子尺寸效应做出了解释，并且用STM连续扫描的方法研究了这两种岛的热稳定性。
(3)笔者研究了利用Al单原子层作为缓冲层，在其上沉积Ag薄膜的生长模式。经过实验发现，比起传统的生长方法，Ag的成膜临界厚度减少了4个原子单层。并且根据XPS的实验结果，确认了Ag的临界厚度仅有2个原子单层的原因是由于界面间电荷转移的变化。
本论文第二个方面的工作是金属在重构的III-V半导体表面的生长和诱导的重构变化，并结合表面室理论小组近期提出的“普适电子计数模型(GECM)”进行分析。笔者选择了Bi和Au在GaAs(001)-2x4进行外延生长，并对其进行了实验和理论的分析，具体结果如下：
(1)发现了Bi在室温条件下生长在GaAs(001)-2x4上会形成lx4的重构，针对该实验结果，我们给出了一个原子结构模型，并且从GECM(普适电子计模型)的角度给予了讨论。
(2)进行了Au在GaAs(001)-2x4表面上室温生长后退火的实验，利用STM进行观察，发现其在[110]方向存在3倍于GaAs晶格常数的周期性，而且通过小范围的STM还可以发现存在不同的Au吸附位。对于Au在GaAs(001)-2x4表面上生长的复杂行为，我们提出了模型并进行了理论计算，结果表明，从能量角度分析，该模型非常易于存在。GaAs