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现实中的催化剂是个相当复杂的系统体系，且为粉末状，限制了多种表面科学表征手段的应用。为了设计出选择性能更高、催化性能更好的催化剂，载体金属催化剂模型是近十多年来最为广泛采用的一种异质催化剂模型，即金属纳米颗粒通过物理沉积的方法分散在厚度通常为几个埃到10 nm之间的氧化物晶体薄膜上。该模型使得人们能够充分利用目前多种有力的表面科学分析手段，在原子尺度上研究催化反应特性和其结构的关系，从而深入地理解其反应机理。
本文的工作就是关于载体金属催化剂模型的研究。其主要内容有：SiO2和CeO2(111)两种单晶薄膜的制备、生长机理与结构表征：Pd和Au纳米颗粒分别在这两种载体上的成核、生长与热稳定性；CO分子在Pd纳米颗粒上的吸附特性以及Au/CeO2(111)体系中的Au纳米颗粒在CO氧化反应氛围中的原位扫描隧道显微镜(STM)研究。
在金属单晶上(例如Mo单晶)，制备SiO2单晶绝缘层，一直是近年来国际上未能解决的问题，笔者通过简化生长和改进制备方法，成功制备了长程有序、缺陷密度极低的SiO2晶体薄膜。通过STM、XPS、IRAS实验分析和DFT理论计算，第一次成功正确得出该SiO2晶体薄膜的结构模型：它是一个边角共用[SiO4]四面体的二维蜂窝网状结构，其中界面的氧原子成键于基底顶层钼原子的桥位。并由此推出该晶体表面沿着[110]方向上的线缺陷的原子结构。此外，通过调节不同的Si和O2的覆盖度，笔者可以得到结构不同的宽度同为5A的一维SiO2纳米机构以及具有不同表面氧原子(和基底Mo原子成键)的个数二维晶体SiO2薄膜。
Pd纳米颗粒在SiO2薄膜上的成核、生长、形貌与热稳定性，以及CO分子在Pd纳米颗粒上的吸附特性主要通过STM、XPS、IRAS和TPD四种手段进行了细致的研究。在极低覆盖度时(0.01 ML)，室温沉积的Pd纳米颗粒在SiO2薄膜，成核位置没有显示出任何选择性，随机均匀地分散在SiO2薄膜上，随着覆盖度的增加，Pd纳米颗粒的尺寸没有发生变化，而只是密度增加。当覆盖度增加到大约1ML时，Pd纳米颗粒的尺寸开始变大。CO的吸附特性显示在低覆盖度时，CO分子之吸附在Pd原子的顶位，进而随着Pd纳米颗粒的增大，部分CO分子开始吸附在桥位和空位。另外，Pd纳米颗粒在温度低于600 K时，结构较为稳定，而高于这个温度时，Pd纳米颗粒结构发生剧烈的变化。更为奇特的是，基底温度在90 K温度时沉积的Pd纳米颗粒，吸附CO分子后的Pd纳米颗粒可以在CO分子的诱导下长大。
此外，通过在5×10-8 mbar的氧氛围中，Ru(0001)基底为790 K温度时沉积约6ML的CeO2，我们成功地得到了厚度约为2nm的、完全覆盖金属基底的CeO2(111)单晶薄膜，并首次使用STM对其进行了形貌方面的研究。该薄膜的台面宽度约为50 nm，形状为准圆型，此形状暗示了其台阶处存在着大量的低配位数扭折。另外，台面上有密度极低的点缺陷(氧空缺)。在该薄膜上沉积较低覆盖度的Au纳米颗粒时，首先在台面上的点缺陷成核，进而在台阶上的扭折处成核；只有在高覆盖度时，Au纳米颗粒才均匀地分散在CeO2(111)薄膜上。Pd纳米颗粒同样选择性地成核在CeO2(111)的台阶处，并展示出了六角结构形貌；Pd纳米颗粒在高温退火时，可以能由于和基底的强相互作用而出现镶嵌效应，并且CeO2(111)薄膜同时被部分还原。
最后，考虑到该模型存在的“压强鸿沟”的问题，本文使用高压原位和非原位STM观察手段，研究了CO氧化反应的氛围中Au/CeO2(111)体系的Au纳米颗粒的稳定性。发现当CO和O2(1:1)的混合气体压强达到1×10-3 mbar时，Au纳米颗粒出现了Ostward-ripening效应，而且Au纳米颗粒主要是沿着台阶扩散的，然而，在CO单一气体中，该现象只有在压强大于1 mbar时才出现，在O2单一气体中，Au纳米颗粒即使在10 mbar都表现得相当稳定。