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有机分子在固体表面的自组装是构筑表面纳米结构，制备分子纳米器件的重要途径。分子的吸附和组装蕴含着表界面的许多基本科学问题，如分子间相互作用、表界面效应、电荷转移、分子的扩散/热运动等，可作为研究物质表界面物理化学性质的模型体系，为制备和改进与表界面相关的材料及器件提供理论基础。因此，有机分子的二维组装行为，如组装结构的形成、调控、转化和多元共组装等，需要深入地理解和总结其规律和机理。
枝状分子是一类具有多分枝的树形大分子，具有柔曲性的骨架、高密度的官能团、复杂的分枝等结构特点，在催化剂、传感器、仿生材料、药物及基因的载体、高性能聚合物等许多领域具有重要的应用前景。枝状分子的性能与其分子构型和聚集形态有密切的关系，因此其在表界面的组装行为一直受到研究者的重视。在固体表面组装过程中，枝状分子可以多种构象吸附在表面，在不同组装环境下呈现出多样的表面组装结构。通过分子修饰，也可利用枝状分子构筑多元复合纳米结构。因此，枝状分子可以作为模型分子，用来研究有机分子表面组装结构的形成、转化和多元组装的基本规律。
以扫描隧道显微术(STM)为代表的扫描探针显微术(SPM)以其在分子水平上对原子/分子进行观测和操纵的能力，是表面分子组装和纳米结构研究的有力工具。本文以STM为主要研究手段，对一系列枝状分子表面组装结构的形成、调控和转化规律，及枝状分子与其他组分的共组装行为展开了系统的研究。继而利用SPM研究了氢键超分子体系的二维组装和三维聚集行为，以及光诱导的二芳基乙烯衍生物的表面结构转变。论文的主要内容包括：
一、研究了一系列异代酯基Janus枝状分子在高定向裂解石墨(HOPG)表面的自组装与热诱导的结构转化。随着枝状分子代数的增加，分子的表面吸附构象和取向趋于多样化，组装结构趋于无序。加热可使无序结构转变为有序的二聚体密堆积结构。这表明高代数枝状分子与基底间作用力较强，分子的表面构象难以转变。加热可使枝状分子克服构象转化所需的能垒，调整其吸附构象及相对位置关系，使无序结构转化为有序结构。
二、通过控制浓度和溶剂，调控间苯二酸枝状分子衍生物BIC的表面组装结构及结构转化。在溶剂辛醇中，随着浓度的逐渐降低，BIC在HOPG表面的结构由条垄向四方再向六方发生系列转变。这是因为浓度降低导致分子的覆盖度降低，辛醇因而能够与BIC在表面形成分子间氢键，并参与BIC的表面组装过程。利用其他溶剂可进一步调节BIC的表面组装，获得多样的表面结构。溶剂在BIC的组装中的角色(分散剂或参与物)，是产生调控作用的关键因素，而这与溶剂和溶质间能否形成分子间氢键密切相关。除此之外，溶剂的尺寸和形状也对溶剂效应具有影响。
三、研究了间苯二酸枝状分子衍生物BIC及BIC3与吡啶类分子的表面多元组装行为。在吡啶类分子的诱导下，BIC的表面结构可转化为特殊的线状结构。这一线状结构可作为柔性分子模板，其结构特征可根据吡啶类客体分子发生改变，以填入不同大小、形状和数目的客体分子，形成线状主客体分子纳米结构。主客体分子间的氢键是形成多元组装结构的重要驱动力。进一步研究还表明，不同的吡啶类客体分子可选择性调节枝状分子的线状分子模板结构及其氢键形成方式。
四、进一步研究了氢键在含有枝状分子BIC的多元组装体系中的作用。吡啶乙炔撑类分子的引入导致BIC自身的表面结构和氢键被打破，组装体系内的氢键发生竞争与重组，并诱导不同种类的分子形成线状结构、六聚体结构等多元组装结构。在这一过程中，BIC自身的表面组装结构对吡啶乙炔撑衍生物参与多元组装的方式和最终的多元表面结构具有一定的引导和规范作用。
五、利用STM和原子力显微镜(AFM)研究了氢键超分子体系的二维组装与三维聚集行为。形成较弱氢键的三聚氰胺的二维组装结构和三维聚集结构较为疏散，而三聚氰胺和三聚氰酸之间形成的较强的三重氢键，因此二者的表面共组装结构和三维聚集结构致密而稳定。这表明不同的氢键形成方式和强度导致了氢键超分子体系具有不同的组装和聚集行为。
六、结合循环伏安法，利用电化学STM研究了一种二芳基乙烯类化合物BDDTP在Au(111)表面的吸附结构及光诱导的结构转变。光照前开环BDDTP分子在Au(111)表面形成两种有序吸附结构。原位和离位紫外光照射后，有序吸附结构均转变为无序结构。光照导致BDDTP由开环构象转变为闭环构象，分子与基底间的作用力也因此变化。这是BDDTP的表面吸附结构发生转变的主要原因。