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本论文介绍了自行设计和搭建的首台全国产化的能得到Si表面高质量原子分辨的超高真空扫描隧道显微镜(UHV-STM)。该超高真空扫描隧道显微镜的控制系统部分应用了作者发明的L-PC软控制系统，其不需要使用通常的数字信号处理器(DSP)来进行数字反馈，而仅用一台安装Linux操作系统并带模/数和数/模转换卡的普通PC机就可以实现对扫描探针显微镜的多线程、高精度、实时性的全数字控制。在解决了真空、减震和样品处理等难题后，作者最终成功地得到Si(111)-(7×7)重构以及其它一些表面的高质量的原子分辨图像，完全达到了国际同类仪器所能实现的最佳性能。目前该超高真空扫描隧道显微镜已正常运行并用于科研中，相应的技术积累也应用到实验室后续正在开发的四探针扫描隧道显微镜和原子力显微镜等设备中。
作者用STM实验和第一性原理计算系统地研究了硼 (B) 在Si(100)表面的存在形态，解决了一些长期存在争议的科学问题，尤其是Si(100):B表面的原子结构和对Si(100)基底上超高浓度B掺杂现象的解释。超高浓度掺杂对于改善半导体器件的性能和器件的小型化有着重要的意义，但困难在于一般掺杂率很难超过掺杂元素在Si体内的固溶度。但B元素是一个重要的例外，通过分子束外延(MBE)方法在Si(100)基底上可以得到超高浓度的B掺杂率，超出了B在si中的固溶度达3个数量级。毫无疑问B在Si(100)表面应当有很高的覆盖度和稳定性，但STM观察发现B在Si(100)表面引起一些散布的“突起”(protrusion)，这些突起总是无法聚集成有序结构而达到较高的覆盖度，这和MBE外延生长能够实现超高浓度掺杂相矛盾。B引起的这些表面结构也十余年来没有得到合理的解释。
作者通过第一性原理计算和STM图像模拟，结合高分辨的STM实验图中观察到的B引起的表面应力现象，发现突起实际上一种吸附结构，由Si-B异质二聚体吸附在第二层有B的位置构成。这种吸附结构由于它们之间的相互作用导致不能达到较高的覆盖度，但并不意味着B的覆盖度无法达到很高的程度。B在第二层可以以很高的占据率和很低的表面能稳定的存在，甚至可以接近一个原子单层的覆盖率，这是在Si(100)基底能够实现超高浓度B掺杂的直接原因。作者用离子注入和高温退火的方法制备出了这种接近一个原子单层B覆盖率的表面，这样的表面仍然保持2×1重构，而表面的Si二聚体的高度由于第二层B原子的存在下降了约1.0 A。从这个表面出发，作者进一步观察了不同B覆盖度下表面的变化并进行了理论解释。
Si(113)面是硅最稳定的一个高指数面，其稳定性和si(100)面相当，由于这个面具有许多独特的性质，所以日益受到关注。本论文对这个表面上的B掺杂也进行了系统的研究。第一性原理计算结果表明B在五聚体下方的间隙位置的存在使得表面能有很大的下降，从而使得原清洁Si(113)表面的四聚体消失，使(3×2)重构变成了由五聚体和增原子构成的(3×1)重构。在较高的浓度下，除了五聚体的间隙位置，B还可以以较低的表面能在五聚体的环上存在。当B在五聚体环上时，会导致增原子的电荷转移到五聚体上，从而使得其电子态发生很大的变化。本文作者给出了不同B掺杂浓度下能量最低的结构，并进行了STM图像的模拟。通过仔细对比STM图像模拟的结果和实验的图像，我们可以推测出实验中高温退火的各个阶段B浓度的变化。
以上对掺B硅表面的系统研究为理解和应用B在Si表面的各种性质提供了一个良好的基础。对实验室而言，有利于在后续的研究中利用表面掺杂来改变表面应力，调控原子在表面的扩散、凝聚、成核以及外延生长等过程，进而控制在硅基表面的自组装纳米结构，实现将“自上而下”和“自下而上”方法相结合制作纳米功能化器件的思路。