石墨烯的二维蜂窝状晶格,由两套互相穿插的三角形A/B子晶格构成,且A/B子晶格上的位点被相同的原子占据,从而赋予了石墨烯子晶格反演对称性。其低能电子态的色散关系,可通常由描述无质量、自旋1/2粒子的狄拉克方程描述,相应的泡利算符不再作用于自旋,而是作用于石墨烯的子晶格自由度,故引入赝自旋替代自旋。因而,石墨烯的低能准粒子通常被称为“无质量狄拉克费米子”。狄拉克点附近的载流子运动方向与赝自旋取向之间的耦合,赋予了石墨烯手性属性。石墨烯手性的存在,对电学输运性质产生了极其重要的影响。为了探究这些狄拉克费米子,使用非化学的方式操纵石墨烯的赝自旋,在实验和理论上引起了广泛的兴趣。例如通过施加应力或者弯曲石墨烯的方法可以使其碳-碳键发生形变,并引入有效的规范势,从而有望操纵石墨烯赝自旋的极化,并激励着包括量子谷霍尔效应、谷电子学以及磁束缚态等多方面的研究。本论文的主要工作都基于一台全面改造的商业四探针扫描隧道显微镜（STM）系统,共包括三个部分的工作:1. 深度优化一台全面改造的商业四探针STM系统的成像性能。首先,考虑电学噪声方面,通过采取合适的接地与屏蔽、减少关键信号线缆的暴露面积、降低信号线之间的串扰等多种措施,将噪声降低至前置放大器的本底噪声。接着,从机械噪声方面入手,通过STM成像,证明了改造后各个减震子系统都在不同程度地发挥作用。而随后用铜辫子连接样品台与低温恒温器冷指时,发现弹簧的减震功能失效。经过定性的理论分析后,增加额外的隔热固定点,再次获得清晰原子分辨图像。此时,系统隧穿电流噪声功率谱,相比于改造后,在0-3k Hz范围内整体降低了一个量级,且几乎所有噪声峰位都消失。仅剩的2.7 Hz噪声峰,通过替换减震气腿为主动减震系统后（避开弹簧系统的固有频率）,整体噪声也随其进一步降低了近一个量级。此外,还探索出近100%成功率的Au（111）表面原位场发射针尖处理技术。最终,经多方位深度优化后的四探针STM系统,稳定、可控地获得多种材料体系的清晰原子分辨,并对其它类似STM系统有一定的借鉴意义。2. 设计一套独特的分时复用方案,解决上述四探针STM系统在电路方面存在的诸多缺陷。与商业方案相比,自主提出的分时复用方案具有高性价比、高兼容性的优势。随后,自主研发设计了分时复用控制系统,并结合已有的电路系统与超高真空四探针STM系统,取得了一系列新进展:a)单个探针内大、小扫描管的切换,从而实现厘米尺度到原子尺度连续的空间分辨率;b)多个探针之间的切换;c)通过寻找STM图像中特征形貌的方式,获得针尖之间最低点的相对距离,并将两个或更多的针尖定位到1μm×1μm范围以内,突破光镜极限分辨率;d)测量石墨的表面电势分布,并研究石墨上的褶皱对电势分布的影响。该方案的成功,可以给具有类似商业系统的用户提供一个可行的参考方案。3. 研究基底几何形貌对石墨烯赝自旋的调控。首先,使用优化后的四探针STM系统,观察到放置在GaSe衬底上的石墨烯,发生了子晶格对称性破缺现象,其原子分辨图像表现为具有三重对称的三角晶格,而不是本征的具有六重对称的蜂窝状晶格。随后,使用AFM表征手段,进一步证实STM形貌像中石墨烯表面的高低起伏,是由GaSe衬底自身大幅度的高度起伏（～3 nm）诱导的,且大于相同水平范围内SiO2表面的高度起伏（～1 nm）。理论上,使用了面外高斯状形变的石墨烯模型,分析了石墨烯不同子晶格上局域态密度对比度随其高度起伏的演化,并与实验测量结果自洽。从而提供了另一种通过机械方式,实现操纵石墨烯赝自旋或其它相关电子能带结构的可行方案。综上所述,经过改造和优化后的四探针STM系统,已具备同时表征结构和输运性质的能力,可进一步用于研究低维材料体系结构与输运性质之间的关联,例如石墨烯中局域应力诱导的贋自旋极化对其局域电导的影响。另一方面,可在分时复用控制系统中,进一步集成可自动化完成STP（扫描隧道电位计）表征的软硬件,以及利用扫描管的压电效应实现在绝缘衬底上的自动进针功能,或升级单个STM探针为qPlus探针,以弥补STM要求导电衬底的局限性。