化合物原子之間形成各種化學鍵，比如離子鍵、共價鍵、配位鍵等等。其本質上是原子各自所帶有的電子層互相作用形成了新的電子雲。從而使不同原子穩定存在。

應該說化合物的原子結合在一起的樣子，跟它們的化學結構式是基本接近的。透過先進的顯微探測技術，我們可以看到分子的直觀形態。分子當中的原子之間是由不同的化學鍵連線的，化學鍵具有固定且平衡的幾何形狀——鍵長和鍵角——並透過振動和旋轉運動不斷振盪。

對於具有複雜三維結構的分子，特別是涉及四鍵原子（如碳原子）的情況，簡單的分子式或甚至半結構化學式可能不足以完全確定分子的形態。在這種情況下，可能需要稱為結構式的圖形來描述。

上圖：萜類化合物阿替烷的3D（左和中）和2D（右）結構展現。

原子力顯微鏡（AFM）或掃描力顯微鏡（SFM）是一種掃描探針顯微鏡（SPM），其解析度約為奈米級，比光學衍射極限高出1000倍以上。 透過用機械探針“感覺”或“觸控”表面來收集資訊。掃描隧道顯微鏡（STM）是用於在原子水平上進行表面成像的儀器。STM基於量子隧穿的效應。當導電尖端非常靠近待檢查的表面時，在兩者之間施加的偏壓（電壓差）可以允許電子穿過它們之間的真空。導電尖端位置產生的隧道電流是施加的電壓和樣品的區域性態密度（LDOS）的函式。 透過導電尖端在物質表面掃描時監視電流變化即可獲取資訊，並且通常以影象形式展示。 STM可能是一項具有挑戰性的技術，因為它需要非常乾淨和穩定的表面，鋒利的尖端，出色的振動控制和大量精密的輔助電子裝置，但已經有許多業餘愛好者自己搞出來。

我們來看一些分子的照片：

上圖：3,4,9,10-苝四甲酸二酐（一種有機染料）分子的原子力顯微鏡（AFM）影象，其中可見五個六碳環。

上圖：並五苯分子的掃描隧道顯微鏡影象，由五個碳環的線性鏈組成。

上圖：1,5,9-三氧-13-氮雜三烯的原子力顯微鏡影象及其化學結構。

上圖：“靛星”樹枝狀聚合物分子的結構和STM影象。靛星是在食品實驗室裡開發的大型星狀分子，此分子能夠抓住大型帶負電的離子。

上圖：多個分子之間的化學鍵。使用非接觸原子力顯微鏡（NC-AFM）對銅基板上的8-羥基喹啉（8-hq）分子中氫鍵形成的真實空間視覺化。

上圖：化學反應前後的分子形態變化。擱置在平坦的銀表面上的原始反應物分子在反應之前和之後成像，這在溫度超過90攝氏度時發生。顯示了反應的兩種最常見的最終產物。三埃的標尺（一埃是十億分之一米）表明，反應物和產物的尺度都在十億分之一米左右。

上圖：各種採用CO介導的非接觸原子力顯微鏡（NC-AFM）成像的內部鍵合結構。

（A）3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）的內部鍵結構;

（B）用NC-AFM解析的內部鍵結構。第一張影象是透過將單個CO分子吸收到尖端頂點上實現的 （C）NC-AFM影象顯示吸附在銅基板氯化鈉（2ML）溶液中的頭孢氨苄A的分子結構鑑定。紅色和藍色原子分別對應於氧和氮；

（D）NC-AFM顯示採用“蝴蝶”狀排列的二苯並[a，h]噻吩（DBTH）的雙穩態構型。黃色原子對應硫；

（E）六苯並蔻烯中的Pauling鍵;

（F）非彈性隧道譜（IETS）成像顯示CO封端的化學鍵;

（G）NC-AFM影象化學反應的不同步驟與分子下解析度

（H）在77 K的矽表面上的萘四羧酸二醯亞胺（NTCDI）的結構和吸附位點。STM（左）和NC-AFM（右）成像。