表面合成是最近十几年发展起来的新的合成方法,通过将预先设计好的前驱体分子沉积到基底表面并通过加热等方式诱导表面化学反应,研究人员可以合成出具有原子级精确的,传统的化学合成难以得到的化学结构。目前表面化学仍处于蓬勃发展时期,相对于传统的溶液合成,表面合成目前仅实现了极少数已知的化学反应,因而探索各种化学官能团在表面合成中的反应及其机理对于纳米、化学结构的合成和开发至关重要。一般来说,合成的各种材料都包含一定的缺陷,这些缺陷对其电子结构和器件的性能有着显著的影响,因此对于缺陷的识别和特性表征对于优化合成条件及实现缺陷工程都是至关重要的。本论文利用超高真空分子束外延-扫描探针显微镜技术对几种化学官能团在金属表面的化学反应做了详细的研究,合成出了几种结构原子级精确的碳纳米材料。结合第一性原理计算,对几种官能团在表面化学反应的机制,产物的电子结构进行了进一步探索,具体结果如下:（1）贵金属基底表面苯基迁移反应的识别。通过研究DMTPB分子在不同反应活性和不同对称性的三种基底Au（111）,Cu（111）和Ag（110）上的分子内反应,观测到了苯基迁移到了甲基的脱氢的位点上,随后这种迁移后的中间产物的进一步分子内脱氢环化形成了多种中间体结构及最终的5种纳米石墨烯产物。利用不同的退火温度研究了分子产物的逐步变化,并利用一氧化碳修饰的针尖对不同产物的结构进行了精确的识别,结合第一性原理计算,我们对DMTPB经热退火后发生的分内苯基迁移行为进行了反应势垒的相应计算,确认了这种分子内苯基发生迁移的合理性。（2）合成不同边缘结构的石墨烯纳米带。通过研究DBDPDPTP在Au（111）表面Ullmann反应及后续的脱氢环化行为,我们合成出了边缘周期性键合甲基及边缘具有额外的苯环的超长“V”型石墨烯纳米带,两种纳米带的转变过程涉及到甲基的迁移和偶联行为。扫描隧道谱显示纳米带的转变伴随着带隙值的减小,与理论计算结果一致。（3）合成具有五七环结构的纳米石墨烯。通过研究BPYBA分子在Au（111）表面通过Ullmann反应及分子内的脱氢环化,我们得到了包含两对五七环的非平面的纳米石墨烯产物。此外,由于脱氢发生边缘融合,我们还观测到了两种具有三对五七环的非平面纳米石墨烯结构。扫描隧道谱揭示了几种纳米石墨烯不同的电子结构,与理论计算一致。（4）高定向裂解石墨及单层二硫化钨中的本征缺陷识别。观测到了高定向裂解石墨表面多种缺陷诱导的两种超结构,利用高定向裂解石墨作为基底合成出了单层二硫化钨。识别出了单层二硫化钨中的取代缺陷及电荷态缺陷,并对电荷态缺陷得结构和来源做了探讨。上述研究探讨了多种含碳化学官能团在金属基底表面的反应机理,并得到了几种不同性质的碳纳米材料,有助于促进对表面合成中官能团发生化学反应的认识及开发新型功能材料。此外,对高定向裂解石墨和类石墨烯材料单层二硫化钨中缺陷的识别和表征有助于理解材料中缺陷的来源以及实现对材料合成工艺的优化。