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分子束外延(MBE)技术在纳米材料(如薄膜、纳米线和超晶格等)的制备中发挥了重要作用；扫描隧道显微镜/谱(STM/STS)是目前凝聚态物理和纳米科学等领域的主要研究手段之一。本论文的工作中，我们利用分子束外延技术和低温强磁场(2.2K，7T)扫描隧道显微镜研究了石墨烯、低维超导和拓扑绝缘体等相关的凝聚态物理中的前沿问题。主要内容如下：
(1)石墨烯是最近发现的一类二维材料，它的问世引发了全世界的研究热潮。石墨烯具有很高的载流子迁移率，因此可用来制作纳米电子学器件，其载流子的浓度和类型可以利用在石墨烯表面吸附金属原子或分子的方法来调节。在本论文的第一部分，我们利用热解6H-SiC(0001)的方法制备出单层、双层和多层石墨烯，并研究了F16CuPc分子在其表面的吸附性质。石墨烯与分子之间主要是范德瓦尔斯相互作用，同时伴随着π轨道的杂化和电荷转移。石墨烯的电子结构由于引入了未占据态而发生改变，表现为在费米能级上方出现一个新的态。这为发展基于石墨烯的电子器件提供了非常有用的信息。
(2)低维超导是近几十年来一直备受关注的课题。在本论文的第二部分，我们利用MBE技术分别在Graphene/SiC(0001)和Pb-SIC/Si(111)表面制备出超薄的Pb岛/膜，并利用STM/STS研究了它们的超导性质。生长在Graphene和SIC表面的3ML高的Pb岛的超导转变温度分别为5.8K和6.9K，表明衬底在库伯对的形成过程中发挥了重要作用。我们利用STM/STS在Pb-SIC/Si(111)表面生长的2ML和3ML高的Pb膜上均观察到了超导能隙和磁通；但输运测量结果表明在其之间存在超导(3ML)-绝缘体(2ML)相变。
(3)拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的热点之一，它是一类由自旋-轨道耦合作用引起的新奇的量子物质态。层状化合物Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3为三维的强拓扑绝缘体，且通过Cu、Cr、Mn和Fe等元素的掺杂，这类拓扑绝缘体表现出一些新奇的性质，如Bi2Se3通过Cu掺杂可以变为超导体。在本论文的第三部分，我们首先制备出高质量的Bi2Se3薄膜，并利用STM/STS研究了Cu和Cr掺杂的Bi2Se3薄膜的结构和电子性质。研究发现：Cu原子可以形成间隙和夹层的缺陷，但经200℃退火后，所有Cu原子都将扩散到层间形成CuBiSe2化合物。Cr原子会替代Bi原子，形成替代缺陷。Cu和Cr都表现为施主，引起n型掺杂。Cu掺杂的Bi2Se3薄膜的表面态可以保持，而Cr掺杂的Bi2Se3薄膜的表面态则会在Dirac点处打开能隙，这是由表面磁性产生的。在高的Cu和Cr诱导的缺陷密度下，Bi2Se3表面态的朗道能级被破坏。为寻找Majorana费米子，我们还研究了Bi2Se3和FeSe的界面结构，发现拓扑绝缘体可以和层状的具有惰性表面的超导体形成原子级平整的界面。