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扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)和非接触原子力显微镜(non-contact atomic force microscope，NC-AFM)具有超高空间分辨的成像和谱学功能，已经成为表面科学研究的重要工具。本论文中，结合STM和NC-AFM研究了分子间非共价相互作用和二维材料的结构和电子学性质，这些研究进一步拓展了扫描探针技术科学研究的对象和领域，使得对此类体系中众多科学问题的深入研究成为可能。主要研究内容如下: （一）氢键在广泛的物理化学过程中都起了至关重要的作用。局域氢键构型的研究对于理解复杂分子之间的氢键相互作用极为重要。利用NC-AFM实现了Cu(111)表面组装的8-羟基喹啉分子(8-hq)间氢键相互作用的实空间成像。分子间氢键相互作用位点、氢键的键长和键角都可以从原子分辨的AFM图像中精确测量。除了典型的分子间氢键，还发现了N/O-HC之间形成的非典型氢键。沉积在室温样品上的8-hq分子容易发生脱氢反应。利用NC-AFM的原子分辨图像并结合DFT计算，发现表面的Cu增原子与8-hq分子配位形成多聚体。 利用NC-AFM进一步研究了DNA碱基分子鸟嘌呤(Guanine，G)在Cu(111)表面的氢异构化及其氢键网络结构。尽管在气相中多种G分子的异构体共存，发现沉积在室温Cu(111)表面后，G分子只形成一种网格组装结构。利用NC-AFM在原子尺度上同时获得分子骨架和分子间氢键的图像，确定这种组装仅由G分子的N7H-keto异构体组成。进一步研究了金属离子对G异构体平衡的调节。在覆盖有部分NaCl薄膜的Cu((111))表面沉积G分子，发现分子组装成四联体，组装由N9H-keto异构体分子组成，金属基底和金属离子对异构体的平衡影响很大。 （二）卤键是和氢键类似的一种典型非共价分子间相互作用，但长期以来卤键都没有得到人们的清晰的理解和认识。利用NC-AFM实现了Cu(111)表面组装的溴苯分子间卤键相互作用的实空间成像。原位沉积在液氦温度下的Cu(111)表面后，溴苯分子通过分子间氢键形成多聚体。在15-30 K温度下退火后，NC-AFM图像能够对卤键进行实空间成像，溴苯分子中卤原子同时作为给体和受体参与成键形成环形卤键。分子间卤键相互作用位点、氢键的键长和键角都可以从原子分辨的AFM图像中精确测量。在卤键相互作用中，观察到溴原子形成卤键后不再具有球型对称结构，进而推测在非球形对称分支位置的排斥力信号的延伸来源于溴原子形成卤键后定向的孤对电子信号。 （三）缺陷和界面的键合结构和化学组成能给出理解和调控材料性质的重要信息。发现NC-AFM可以实现金属衬底上生长的二维材料的原位化学结构分析。利用AFM力谱技术，B、N和C三种原子可以识别。结合原子分辨图像，发现Rh(111)表面生长的六方氮化硼(hexagonal Boron Nitride，h-BN)中观察到的单原子缺陷为B空位缺陷，断裂的B-N键能产生刃位错。结合理论计算，给出了金属增原子稳定的缺陷结构模型。发现Ir(111)表面生长的石墨烯-六方氮化硼面内异质材料具有原子尺度上无混溶的杂化边界，B-C边界和N-C边界的共存。结合理论计算提出了在石墨烯边缘生长氮化硼时可能的成核位点和生长机理。 （四）阐明金属表面水分子团簇结构对理解腐蚀、润滑、催化以及初期冰成核生长等众多物化过程具有重要的意义。利用STM、NC-AFM恒高图像并结合DFT计算，研究了低温下Cu(111)表面形成的水分子团簇。发现水分子在液氦温度Cu(111)表面能够形成结构丰富的团簇。通过STM和AFM图像并结合DFT计算，确定了不同水分子团簇的结构，包括水分子数目，氢键类型以及不同水分子的吸附构型等。发现了五元环结构在水初期成核过程中的重要作用，并证实了核长大时五元环向六元环结构的转变。