有机分子在表面上通过不同的共价连接可以形成丰富的低维纳米结构。这些碳基纳米材料在未来的分子半导体器件中有着广泛的应用前景。因此通过研究有机分子在表面的吸附与反应特性来实现低维功能分子结构的可控制备具有重要意义。由于对分子的吸附和反应成断键的直接观测要求显微镜具有亚纳米的超高实空间分辨率,扫描隧道显微镜被广泛用来分辨分子/原子。但扫描隧道显微镜对化学键并不敏感。近十年发展起来的基于特定针尖修饰的非接触原子力显微镜技术,能够表征分子精细的化学结构,成为化学家研究表面反应的有力工具。本文使用超高真空低温扫描隧道显微镜和非接触原子力显微镜,在亚分子和化学键分辨率下对四种有机分子在金属单晶表面的吸附与反应路径进行了系统研究。本文最后还涉及到对化学键成像方法的拓展。主要内容为如下五个部分:1.我们研究了对称分子4,4〃-二氨基对三联苯在三重对称的Cu(111)表面的吸附特性。化学键分辨的原子力显微镜图像显示该对称分子在5 K低温下表现出单边模糊的不对称特征。进一步研究证明此处对称性的破缺是由分子和基底表面的晶格失配引起的。我们利用这一特性实现了另一种分子对该对称分子的位点选择性修饰,为对称分子的不对称活化与反应提供了新的思路。2.我们对多卤取代芳烃分子在Cu(111)上的分步脱卤过程及其中间态吸附结构进行了深入研究。通过热诱导或针尖诱导将不同卤素原子分步从分子上解离,碳卤键断裂后的分子在表面形成不同的中间态。化学键分辨的原子力显微图像结合DFT理论计算精确解析了相应自由基中间态在表面的吸附结构。我们的发现为基于表面脱卤反应的合成提供了重要的实验依据。3.我们探究了不同金属原子(金或银)对有机金属化合物结构的影响。前驱体分子四溴四氯代苝在Au(111)和Ag(111)表面通过热诱导的方法逐步脱卤并结合表面上的金属原子形成不同的有机金属化合物。在金表面只形成准一维的有机-金纳米带,纳米带两侧的湾区结合一个金原子形成闭合五元环。金原子外侧另与两个氯原子连接。而在银表面上生成的有机-银纳米带侧边结构与金上不同,呈现五元开环与闭环交替的手性结构。该特别的边界结构允许有机-银纳米带更加紧密地排列在一起。进一步退火观察到大量有机-银纳米带的侧向融合。4.通过表面选择性脱氢环化合成纳米石墨烯分子。化学家通常利用设计的分子前驱体的脱氢环化来合成具有特定结构和性能的纳米石墨烯分子。但是如何让具有多条反应路径的分子前驱体选择性生成目标产物是一个具有挑战性的问题。我们利用复杂前驱体在金属表面上的扁平化吸附结构和分子-表面相互作用实现了不同于溶液中反应的平面化转化。5.我们试验了高阶谐振的非接触原子力显微镜在化学键成像中的应用。原则上非接触原子力显微镜可以工作于多模态下,以同时获得不同的样品信息和提高成像质量。我们尝试驱动音叉传感器在二阶共振频率下工作,在高有效弹性常数下获得了分子的化学键分辨,为多模态的应用提供了基础。