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纳米科技最终的目标是用单个的原子或分子通过“自下而上”的方式来组装特定性能的器件。要实现这一梦想，就要精确控制分子在表面的组装结构。但是，到目前为止，对表面、界面分子组装和超分子结构的精确控制，仍然需要澄清和解决许多基本的理论问题。因此研究分子在二维表面的吸附规律，不仅对物理化学现象本质的理解具有十分重要的意义，并且为制造分子传感器、设计分子器件提供了重要的理论基础，对构筑各种功能的分子纳米结构有着重要的科学意义。扫描隧道显微镜(STM)以其在原子水平上对分子进行观察和操纵的能力，在纳米结构的研究中具有得天独厚的优势。本论文主要利用扫描隧道显微术，以探索分子组装中的基本科学问题为出发点，研究对象从有机小分子扩展到配合物超分子，研究内容从表面分子纳米结构的形成基础扩展到对特殊尺寸特殊结构分子的固定和单分散研究，其中纳米结构的形成基础涉及分子吸附的动力学、热力学、分子间作用力、分子与基底的作用力、金属配合物与其组成配体间表面膜结构的异同等。论文的研究内容分为以下几个部分：
一、以烷基链长短适中的十硫醇分子为研究对象，系统地研究了它在温和的实验条件下(室温、大气体系)在Au(111)表面组装的动力学规律。十硫醇自组装膜的制备采用把Au(111)电极浸入到样品溶液中的方法。随着蘸样时间的不断延长，分子首先自由随意地吸附在Au(111)单晶电极表面；然后形成了由八个分子组成的短条形结构，在这种结构中硫醇分子采取“头对头吸附，烷基链不重叠”的方式，这种由八个分子构成的短条形可以被认为是最初形成有序结构的组装方式，没有出现少于八个分子构成的短条形吸附结构。以此为基础，由于分子畴区的侧向压力，分子采取“头对头吸附，烷基链相堆叠”的方式来满足表面覆盖度继续增大的要求；最后，在达到饱和覆盖度前，平躺吸附的十硫醇分子经过连续的变化和重组，最终垂直吸附在Au(111)单晶表面，形成紧密堆积的组装结构。选择了戊硫醇在相同的实验条件下与十硫醇作对比研究，发现了相同的动力学组装规律，唯一区别是戊硫醇形成与十硫醇相似的分子层结构所需要的时间大大缩短，这与烷基链长短密切相关。
二、苯三氧十二酸可以吸附于石墨表面，在气固界面只形成烷基链对插的结构；在固液界面则形成两种组装结构，即四方空穴结构和烷基链对插结构。加热条件下，四方形空穴结构可以完全转化成烷基链对插的结构。四方空穴结构是动力学控制下分子的一种组装方式，分子间氢键对分子吸附结构起到主导作用，而烷基链对插的结构则是热力学上更稳定的相态，烷基链之间的二维结晶能决定了分子的吸附结构。通过客体分子的填充，可以使苯三氧十二酸的吸附结构保持在四方空穴状态，不再转化为烷基链对插的结构。
三、两个配体分子PARC18和(PAR)2C10及它们的Cu(Ⅱ)配合物分子都可以吸附在石墨表面，并形成长程有序的吸附层结构，配体及其对应配合物都倾向于以与基底作用最大的方式吸附于表面。这是分子-分子之间及分子-基底之间共同作用的结果。虽然本文中研究的配合物分子仅比配体分子多出一个或两个金属离子，但是金属离子的引入使得配合物分子层结构与配体相比发生较大变化。配合物由配体构成，二者之间却没有明显的关联关系。另外，对于配体和配合物的二元组分，由于它们在石墨上的吸附能差别不大，最终形成相分离结构。
四、成功利用苯三氧十一酸分子模板在石墨基底上对大环金属长方形配合物的组装和单分散进行了调控。长方形超分子单分散的过程包括两个步骤：首先是模板分子优先在HOPG基底上面组装，然后在分散力的驱动下，长方形超分子通过与模板分子之间形成范德华作用力再进一步组装成有序结构。虽然长方形超分子在石墨表面不能形成有序的自组装层，但是利用苯三氧十一酸分子模板却能够获得有序的超分子自组装结构，这是一个在表面修饰和构筑二维体系中非常可行的方法，将促进有序结构的自组装和单分散技术的发展。