項(xiàng)目名稱：    團(tuán)簇和團(tuán)簇材料的制備、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究

推薦單位：    教育部

項(xiàng)目簡介：    本項(xiàng)目屬材料科學(xué)領(lǐng)域納米材料學(xué)。

原子團(tuán)簇是由幾個至上萬個原子或分子組成的細(xì)小體系，具有一系列與尺寸相關(guān)的奇特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而以團(tuán)簇為基元制備具有量子性質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前納米科學(xué)技術(shù)熱點(diǎn)之一。本項(xiàng)目自1985 年起，在團(tuán)簇和團(tuán)簇材料的制備、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。取得了一系列具有國際影響的創(chuàng)新成果。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)有：

發(fā)現(xiàn)了濺射離子簇的同位素效應(yīng)，證明團(tuán)簇形成與構(gòu)成簇的同位素性質(zhì)有關(guān)，發(fā)展了過渡金屬團(tuán)簇電離勢的有效配位數(shù)理論，建立過渡金屬團(tuán)簇經(jīng)歷金屬-非金屬、磁性-非磁性轉(zhuǎn)變的尺寸方程。

首先觀察到硅團(tuán)簇的表面振動模及其量子特性，氟化鋰團(tuán)簇多階拉曼散射及聲學(xué)聲子增強(qiáng)效應(yīng)；鍺團(tuán)簇組裝膜由量子限制效應(yīng)引起的帶隙展寬及紫、藍(lán)色光致發(fā)光。

發(fā)展了低能團(tuán)簇束流淀積技術(shù)，制備多種金屬團(tuán)簇納米結(jié)構(gòu)，在支撐金團(tuán)簇形成的層狀納米結(jié)構(gòu)膜中發(fā)現(xiàn)多道共振隧穿及其與團(tuán)簇數(shù)目和團(tuán)簇組成結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，首次觀察到鈀團(tuán)簇構(gòu)成納米固體界面的徙動效應(yīng)和在隧道電流作用下團(tuán)簇由無規(guī)向有規(guī)排序；

以團(tuán)簇為基元或前驅(qū)物，發(fā)展了一系列制備功能氧化物納米團(tuán)簇和納米絲的新方法，不僅可低成本制備得大量氧化物團(tuán)簇，還第一次制得無缺陷的氧化鈦單晶納米絲和氧化亞銅納米線；

揭示了金屬原子線由原子鏈狀向晶態(tài)的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超細(xì)原子線呈螺旋多殼結(jié)構(gòu)。由非晶向晶態(tài)轉(zhuǎn)變是由線芯開始的；

首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到包裹團(tuán)簇的納米噴射及其尺寸效應(yīng)。

這些成果不僅豐富了團(tuán)簇物理的基礎(chǔ)理論，而且為以團(tuán)簇為基元研制新型納米材料和量子器件開辟了新途徑。本項(xiàng)目62 篇主要學(xué)術(shù)論文已被SCI 他引982 篇次。10 篇代表性論文被SCI 論文正面他引258 篇次(其中包括11 篇綜述論文)，并被多本外國專著成段引用。主要完成人在國際會議作邀請報告8 次，應(yīng)國際學(xué)術(shù)刊物和專著邀請撰寫綜述論文3 篇，主持召開了第十二屆"小顆粒與無機(jī)團(tuán)簇國際大會"(2004 年)。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  （1）發(fā)現(xiàn)了濺射離子簇的同位素效應(yīng)，證明團(tuán)簇的形成與構(gòu)成簇的同位素性質(zhì)有關(guān)。發(fā)展了過渡金屬團(tuán)簇電離勢的有效配位數(shù)理論，建立了過渡金屬團(tuán)簇經(jīng)歷金屬-非金屬、磁性-非磁性轉(zhuǎn)變的尺寸方程。[代表論文4、6、7] (納米材料學(xué))

（2）首先觀察到硅團(tuán)簇表面振動模及其量子特性，鍺團(tuán)簇組裝膜由量子限制效應(yīng)引起的帶隙展寬及紫光到藍(lán)光區(qū)的光致發(fā)光，氟化鋰團(tuán)簇的多階拉曼散射及聲學(xué)聲子增強(qiáng)效應(yīng)。[代表論文1] (納米材料學(xué))

（3）用低能團(tuán)簇束流制備了多種金屬團(tuán)簇納米結(jié)構(gòu)。獲得支撐金團(tuán)簇形成的層狀的納米結(jié)構(gòu)膜并觀察到多道共振隧穿，發(fā)現(xiàn)其與團(tuán)簇數(shù)目和團(tuán)簇組成的結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。首次觀察到鈀團(tuán)簇構(gòu)成納米固體的界面徙動效應(yīng)以及在隧道電流作用下團(tuán)簇由無規(guī)向有規(guī)排序。[代表論文5] (納米材料學(xué))

（4）發(fā)展了一組制備氧化物團(tuán)簇和納米絲的新方法，不僅可低成本制備氧化物團(tuán)簇，而且制得完美的氧化鈦單晶納米絲和氧化亞銅納米線。[代表論文9、10] (納米材料學(xué))

（5）揭示了金屬原子線由原子鏈狀向晶態(tài)的演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超細(xì)原子線呈螺旋多殼結(jié)構(gòu)，當(dāng)直徑增加到3nm，轉(zhuǎn)變?yōu)閒cc 結(jié)構(gòu)，而且這種由非晶向晶態(tài)轉(zhuǎn)變及熔化行為均從線芯開始，其電磁性質(zhì)不僅與尺寸有關(guān)而且與結(jié)構(gòu)有關(guān),存在"幻數(shù)"效應(yīng)。[代表論文2] (納米材料學(xué))

（6）首次在實(shí)驗(yàn)上直接觀察到包裹團(tuán)簇的納米噴射及其尺寸效應(yīng)。[代表論文3] (納米材料學(xué))

主要完成人：  1.   王廣厚

該項(xiàng)目的學(xué)術(shù)負(fù)責(zé)人，提出該項(xiàng)目的總體實(shí)驗(yàn)方案、理論模型和主要學(xué)術(shù)思想，指導(dǎo)研究生對原子團(tuán)

簇和團(tuán)簇組裝體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開展深入系統(tǒng)的研究。對主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1，2，3，4，5，6 作出了貢獻(xiàn)。以上工作占完成人總工作量的80%以上。

2.   韓民

從1989 年起即參加該項(xiàng)目的研究，尤其是在團(tuán)簇束流裝置的研制中發(fā)揮骨干作用，研究了鍺團(tuán)簇膜的

制備方法、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，對主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)中2,3,6 作出了貢獻(xiàn)。以上工作占完成人總工作量的80%以上。

3.   趙紀(jì)軍

本人從事金屬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理論研究，提出過渡金屬團(tuán)簇電離勢和磁矩的有效配位數(shù)模型，建立

過渡金屬團(tuán)簇性質(zhì)的臨界尺寸方程，為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。對發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1，3 和5 作出了貢獻(xiàn)。以上工作占完成人總工作量的70%以上。

4.   劉峰奇

本人開展了團(tuán)簇組裝結(jié)構(gòu)的拉曼散射研究，特別是以多孔硅為襯底，將Si 團(tuán)簇以軟著陸方式嵌入多孔

硅母體框架中，得到準(zhǔn)自由硅團(tuán)簇表面模的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。對發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2 做出了貢獻(xiàn)。以上工作占完成人總工作量的60%以上。

5.   王保林

本人運(yùn)用遺傳算法和分子動力學(xué)模擬等方法研究金屬原子線的原子和電子結(jié)構(gòu)及其隨尺寸的演變規(guī)

律，得到金原子線由原子鏈狀到多層圓柱殼直至晶態(tài)的生長序列，對主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)5 作出了貢獻(xiàn)。以上工作占完成人總工作量的60%以上。

10篇代表性論文：  1.   Experimental observation of surface modes of quasi-free clusters/Phys. Rev. Lett. 76, 604

2.   Novel structures and electronic properties of gold nanowires/Phys. Rev. Lett. 86(10), 2046

3.   Experimental observation of nanojets formed by heating PbO-coated Pb clusters/ Phys. Rev. Lett. 94 (9), 093401

4.   Isotopic effect in formation of copper ion clusters by neutral argon atom bombardment/ Phys. Rev (Rapid Commun.) B37, 9093

5.   Dense random packing formation of gold cluster - based film characterized by scanning tunneling microscope/Appl. Phys. Lett. 65(12), 1513

6.   Ionization potentials of transition - metal clusters/Phys. Rev. B48, 15297

7.   Critical size for metal - nonmetal transition in transition-metal clusters/Phys. Rev, B50(20), 15424

8.   Structure and electronic properties of Gen ( ) clusters from density-func-tional theory/Phys. Rev. B 64 205411.

9.   Synthesis and characterization of Cu2O nanowires by a novel reduction route/Advanced Materials, 14(1), 67

10.  Synthesis and charaterzation of rutile SnO2 nanorods/Advanced Materials, 12(24), 1883