对衬底表面或凝聚相环境中的单个分子和原子团簇的几何与电子结构进行直接观察和理论表征是纳米科技的重要基础，对直接人工改造分子有重要意义，在新材料和新器件方面有巨大的应用背景。
扫描隧道显微术（STM）包括扫描隧道谱（STS）是研究单分子结构的有力工具。虽然STM有很高的分辨率，但其图像只反映分子电子态的空间分布，不必然直接反映其几何结构。同时，实验还受到衬底和针尖等因素的影响。因此确定单分子的构型、取向、内部原子结构和电子态等是极具挑战性的课题。
围绕单分子结构与电子态的基本问题，本研究工作包含相互连系的三个方面：（1）单分子结构的高分辨表征：精确控制实验条件，从大量数据中总结获得高分辩STM图像和STS谱的规律，结合理论计算，发展出一套实验与理论相结合的对单分子结构进行高分辨表征的研究方法，取得了系列的成果和突破。包括对C60分子取向畴的直接观察、C60及硫醇分子吸附取向的确定等；（2）单分子器件相关的基础研究：控制单分子与小团簇的分立电子结构，研究其在特定条件下的输运性质，证实了纳米结的量子电容效应，构造了单分子Esaki二极管，发现了非晶化对金属纳米点量子限域效应的抑制等；（3）在单分子结构与电子态相关的理论研究方面取得了重要的进展。
上述工作加深了对单分子和原子团簇的物理与化学本质及单分子器件的认识，发现了一些新的效应与现象，得到同行的关注。如1999年美国物理学会（IOP）为单分子吸附取向的研究成果发布了专题图片新闻，并获得了一系列奖项。至2004年2月，课题组已发表相关论文44篇，其中在Nature、PRL和JACS上7篇，论文被他人引用232次，获准发明专利1项，在包括美国物理学年会、美国材料学年会、国际真空学会年会等重要的国际会议上作邀请报告15次。