二氧化钒（VO2）是一种典型的强关联材料,在相变温度(TMIT)340 K附近发生金属-绝缘体转变（MIT）,并伴随着由金红石结构（R相）到单斜结构（M1相）的晶体结构转变,同时,其电学、光学、磁学等性质发生可逆突变,这些特性使得VO2在智能窗、存储器、光电开关和红外探测器等方面具有巨大的应用潜力。VO2实现实际应用的前提是其MIT转变温度需调节到室温附近,而深入理解MIT机理是可控调节TMIT的基础。虽经过多年研究,VO2的MIT机制目前仍存诸多争议。针对此长期悬而未决的科学问题,本文利用具有原子分辨率的变温扫描隧道显微成像（STM）和扫描隧道谱学（STS）技术,结合低能电子衍射（LEED）和X射线光电子能谱（XPS）等其他表面分析手段,对生长在Ti O2（110）衬底上的VO2外延单晶膜的MIT行为进行研究,以期在原子尺度揭示MIT机理。本文主要研究内容和结果包括如下方面。首先,本工作利用脉冲激光沉积法在Ti O2（110）单晶衬底上制备了厚度约3μm的纯VO2外延薄膜。通过X-射线衍射（XRD）、XPS、四探针表面电阻测试证实薄膜为VO2单晶外延薄膜,为后续原子尺度研究提供了高质量样品。对此单晶VO2外延薄膜样品,应用扫描隧道显微技术（STM/STS）分别研究了其在低温、高温以及相变温度附近的表面原子结构及其表面电子结构。结果表明,低温下,VO2外延膜表面呈单斜相结构,在原子尺度首次直接观察到V-V对的二聚化,并测得V-V对相对金红石相CR轴存在2.12°的倾斜角;当温度高于TMIT时,VO2外延膜表面呈金红石相结构。通过STS测试,首次在实验上获得了VO2相变前后费米能级附近的精细电子能带结构,测得低温绝缘相具有～0.5 e V的带隙,在高温金属相,该带隙消失,这些观察与现有的第一性原理计算以及晶体场理论结果完全吻合。另外,利用STS在VO2相转变温度附近捕获到相变中间态M2相的电子能带结构,并由此提出VO2相变机理:温度变化导致的M2相,作为进一步相变反应的核,完成金红石相和单斜相间的转变。接下来,本文通过热扩散的方式将Ti O2（110）衬底中的Ti掺杂到VO2薄膜中,通过控制热扩散时间,获得一系列不同Ti含量的Ti XV1-XO2薄膜,利用XRD、四探针电阻仪、XPS、STM、STS等手段研究了Ti掺杂对VO2薄膜MIT的调控作用。结果表明,随Ti浓度增加,Ti XV1-XO2薄膜的TMIT逐渐降低,并且低温高温电阻率比值降低,说明Ti掺杂对VO2薄膜的MIT有抑制作用。变温XRD表征结果显示,随Ti含量增加至约0.21,室温下Ti0.21V0.69O2薄膜晶相结构转变为金红石相,且不再随温度变化发生结构相变,但仍然表现出MIT行为。具有原子分辨率的STM研究确认了这一现象,在原子尺度直接观察到Ti0.30V0.70O2薄膜表面呈现四方金红石结构,且不随温度而变化。STS结果显示,Ti掺杂改变了VO2能带的占据状态,与纯VO2相比,在转变为金属相时π*轨道被提高,不再与d?重叠。此研究表明,高Ti含量的Ti XV1-XO2薄膜表现出Mott相变的特征,这为理解MIT相变机理提供了新视角、为Mott相变提供了新模型材料。总之,本论文工作通过STM/STS技术首次在原子尺度上同时观察到了VO2薄膜表面结构和电子结构的转变,为进一步深入理解VO2金属-绝缘体转变机制提供了第一手数据,对VO2相变温度的调控、器件的研发具有基础指导意义。