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量子尺寸效应会导致材料奇特的物理性质和化学性质，利用各种先进技术制备新型的纳米材料已经成为当今材料科学研究领域的重点之一。最近，利用分子束外延(MBE)的方法，通过精确控制衬底温度和沉积速率等生长条件，人们可以在半导体Si(111)的衬底上外延出原子级平整的金属Pb薄膜，并且发现，由于量子尺寸效应，Pb薄膜的局域功函数、表面能和超导转变温度等性质会随着薄膜厚度的增加发生周期性的变化。
本论文的第一部分工作围绕着量子尺寸效应如何影响原子的表面扩散运动问题而展开。与其它的金属/半导体量子阱结构相比，Pb/Si体系的量子尺寸效应是非常显著的。笔者将其作为衬底进行Fe原子的沉积，发现无论是低温还是室温的生长条件下，Fe原子在Pb表面的外延都不会遵循二维生长模式，而是形成分形岛的结构。通过利用STM图像对Fe原子的形核密度进行分析，并结合动力学蒙特卡罗模拟，本文研究了Fe原子在稳定的Pb薄膜以及能量稳定层和不稳定层同时存在的楔形Pb岛上的表面扩散运动。
通过两步生长法，笔者制备出了21ML和26ML的Pb薄膜。低温(-150K)沉积Fe原子之后，21ML的Pb薄膜上的Fe岛密度大约是26ML上的Fe岛密度的两倍左右。根据经典的形核理论，可以估算出Fe原子在21ML和26ML的Pb薄膜上的表面扩散势垒之差大约为28meV。动力学蒙特卡罗模拟结果显示，Fe原子在21ML和26ML的Pb薄膜上的表面扩散势垒的大小分别为167.5meV和145.5meV，这与上面的实验结果是基本相符的。在楔形Pb岛上，笔者发现，Fe岛密度和Fe的实际覆盖度都会随着楔形Pb岛厚度的增加发生周期性的变化，即奇数层上的Fe岛密度(Fe原子的实际覆盖度)普遍要高于偶数层上的Fe岛密度(Fe原子的实际覆盖度)，这说明Fe原子更倾向于在量子能量比较高的奇数层上形核。这种奇偶层振荡行为的出现是与Pb薄膜中的量子尺寸效应有直接关系的。由于Pb薄膜中费米能级附近的电子态密度及表面的电子密度都是随着薄膜厚度发生周期性变化，那么Fe原子与Pb原子之间的相互作用也要受到调制作用，从而导致了Fe原子在不同厚度Pb薄膜上的表面扩散运动的差异。
近年来，宽禁带化合物半导体ZnO由于具有比GaN更高的激子束缚能，它在紫外探测器、短波长发光二极管和半导体激光器等诸多领域有着广泛的应用前景，因此制备高质量的ZnO单晶薄膜是当前半导体材料研究的热点之一。由于外延生长是一种表面过程，所以表面结构研究对理解和控制外延生长过程具有重要的意义，但是迄今为止，人们对ZnO表面结构的研究工作还很少，尤其是ZnO的氧极性表面。
在本论文的第二部分工作中，笔者采用射频等离子体辅助分子束外延(rf-MBE)方法得到了清洁的ZnO(0001)氧极性表面，并利用超高真空扫描隧道显微镜(STM)和低能电子衍射仪(LEED)研究了氧极性表面的形貌和原子结构。发现在氧等离子体保护的环境下进行高温退火处理，有助于改善ZnO氧极性表面的粗糙程度。本文首次得到了稳定的(1×1)表面，(2×2)、(3×3)和c(4×8)重构表面的原子分辨图像，并且发现ZnO(0001)氧极性表面的重构可能是由于杂质原子所引起的。