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纳米厚度薄膜常常展示不同于体材料的特异性质,其可控制备和精确表征对相关的基础研究和应用探索非常关键。在本论文中,我们利用分子束外延技术生长了Pb1-x SnxTe(001)铁电薄膜和Li Fe As(001)超导薄膜,并利用低温扫描隧道显微镜和扫描隧道谱对它们的形貌、原子和电子结构等进行了原位表征。论文主要成果如下:(1)我们在6H-Si C(0001)衬底上的石墨烯表面制备了无应力的Sn Te薄膜,发现当其厚度仅为一个晶胞(UC)时,薄膜仍然具有面内自发极化,其临界温度TC为270 K,比体材料高至少1.7倍。2~4 UC厚的薄膜在室温下就表现出明确的铁电性。变温实验表明,Sn Te薄膜(1 UC)在相变点附近具有二级相变的行为。在此基础上,我们提出了一种基于二维铁电薄膜的铁电存储器件,并利用扫描隧道显微镜模拟了数据读取过程,测得3 UC薄膜在4.7K下的开关比达到3000。(2)铁电Pb1-x SnxTe薄膜是一个中心反演对称性破缺和强自旋-轨道耦合的二维体系。通过对其晶体对称性的分析,我们推测其能带中垂直于面内自发极化的谷将发生相反的自旋劈裂,而平行于面内自发极化的谷保持自旋简并。我们在Pb0.5Sn0.5Te铁电薄膜的准粒子干涉图样中观察到了价带顶附近自旋劈裂导致的背散射禁戒,其劈裂能量超过220 me V。该研究表明原子级厚度铁电薄膜可能会成为一类新的谷电子学材料。(3)中心反演对称破缺和强自旋轨道耦合可以在一维体系中引起能带的谷相关的自旋劈裂。我们在原子级厚度的Sn Te薄膜边缘观察到了能带弯曲诱导的一维边缘态,其一维准粒子干涉图样表现出有能带选择性的散射。我们通过一个有谷相关自旋劈裂的能带模型很好地解释了该散射现象。(4)我们系统研究了在Nb掺杂的Sr Ti O3(100)衬底上高质量单晶Li Fe As薄膜的分子束外延制备,利用原位的扫描隧道显微镜和非原位的输运测量研究了薄膜的超导电性。原位的低温(4.7 K)扫描隧道谱表明,当薄膜厚度大于4 QL时,超导能隙开始出现,而厚度在13 QL以上的薄膜与体材料性质类似,超导能隙约为7 me V。在100 QL薄膜上进行的非原位输运实验给出超导转变温度Tc=16 K,上临界场Hc2=13.0 T。