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当物体的尺寸与电子的德布罗意波长可以相比拟的时候，量子尺寸效应会变得非常显著。对于很薄的金属薄膜而言，在垂直于膜面方向上电子的受限运动会导致分立的电子能级的形成，即量子阱态(Quantum Well States-QWS)。最近研究表明，量子阱态会影响金属薄膜的很多物理性质，例如表面能，超导转变温度和电声耦合强度等等。本论文的主要工作是利用扫描隧道显微镜(ScanningTunneling Microscopy-STM)研究量子阱态对金属薄膜表面化学性质的影响。研究的样品为Si(111)衬底上生长的楔状Pb岛，此体系存在着非常明显的量子阱态。
在本论文的第一部分中，笔者利用STM研究了氧气分子在铅岛上的低温吸附行为，发现02的吸附存在着明显的厚度依赖性，随着铅岛厚度的变化表现出明显的奇偶振荡现象。这一振荡与用扫描隧道谱(Scanning Tunneling Spectroscopy-STS)测得的费米能级附近的态密度的奇偶振荡有一一对应的关系：对于费米能级附近态密度高的铅薄膜，氧气分子更容易吸附。这一部分的工作直接给出了量子阱态对金属表面化学活性调制的确定性的实验证明。
在论文的第二部分中，笔者介绍了一种全新的低温两步氧化法。利用先低温吸附O2然后退火到室温的两步氧化法，可以有效地氧化原本在室温很难氧化的Pb(111)表面。为了解释Pb(111)表面室温难以氧化的原因，还研究了氧气吸附与衬底温度的关系，发现氧气的吸附系数随着衬底温度的升高呈现下降的趋势，室温时表面上几乎没有氧气的吸附，也就不存在氧化，这就表明初始氧气的吸附对后期氧化的发生有着决定性的作用。在氧化的初始阶段，还获得了一些具有特定大小和取向的Pb0纳米团簇，结合高分辨STM图像和第一性原理计算，推断了它们的组成和结构。这部分的工作加深了人们对金属表面氧化这一复杂的化学现象的理解。
由于O2与Pb存在着复杂的氧化过程以及动力学扩散，使以上实验数据的分析变得比较复杂。考虑到酞菁钴(Cobalt Phthalocyanine-CoPc)分子与Pb(111)表面的相互作用比较弱，其吸附基本上不受动力学因素的影响，而是由热力学因素决定。
在本论文的第三部分，笔者研究了CoPc分子在楔状Pb岛表面的自组装行为。笔者发现，由于受到量子阱态的调制，CoPc分子在Pb岛表面的自组装显示了强烈的厚度选择性，而这一厚度选择性与费米能级附近的态密度同样存在着一一对应的关系。在厚度范围为13 ML到19 ML的楔状Pb岛上，CoPc优先吸附在费米能级附近态密度最高的Pb薄膜上(19 ML)，随着CoPc覆盖度的增加，按照态密度降低的顺序，再依次在14 ML、17 ML、16 ML、18 ML、15 ML和13 ML上进行自组装生长。这部分的工作是利用量子阱态调制表面化学活性的另一个确切的例子，对于人们利用量子尺寸效应控制分子在金属表面的自组装行为具有重要意义。
最后，还尝试研究了O2和CoPc这两种分子Pb(111)表面的共吸附行为。由于CoPc分子与Pb(111)表面的相互作用很弱，CoPc分子在Pb(111)表面很容易自组装成有序的结构。在已吸附CoPc分子的表面上，低温(90 K)通入少量02后，笔者观察到CoPc分子的有序结构遭到破坏，表面上会自发地形成一些由O2与CoPc分子组成的复合物。该结果表明，O2与CoPc存在着分子间的吸引相互作用，并初步认为这是来源于这两种分子之间的CH…O相互作用。