項目名稱： 原子團簇和團簇組裝的奇特結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的研究

推薦單位： 教育部

項目簡介： 本項目屬原子分子物理與凝聚態(tài)物理的交叉學(xué)科。

原子團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)熱點之一。本項目自1985年起，在原子團簇和團簇組裝的制備、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)等方面進行了系統(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)貢獻有：

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

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

用低能團簇束流制備了多種金屬團簇納米結(jié)構(gòu)，在支撐金團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簇數(shù)目和團簇組成結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，觀察到鈀團簇構(gòu)成納米固體界面的遷移效應(yīng)和在隧道電流作用下團簇由無規(guī)向有序排序；

以團簇為基元或前驅(qū)物，發(fā)展了一系列制備功能氧化物團簇和納米絲的新方法，不僅可制備得大量廉價氧化物團簇，還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；

在實驗上觀察到包裹團簇的納米噴射及其尺寸效應(yīng)。

這些成果不僅豐富了團簇物理的基礎(chǔ)理論，而且為以團簇為基元研制新型納米材料和量子器件開辟了新途徑。本項目發(fā)表的62篇SCI主要學(xué)術(shù)論文已被SCI他引1245篇次。10篇代表性論文被SCI論文正面他引330篇次(其中包括11篇綜述論文)，單篇引文達89篇次，并被8本外國專著成段引用。主要完成人在國際會議作邀請報告10次，應(yīng)國際學(xué)術(shù)刊物和專著邀請撰寫綜述論文4篇，主持召開第十二屆"小顆粒與無機團簇國際大會(ISSPIC-12)"(2004年)。

主要發(fā)現(xiàn)點： 1、核心發(fā)現(xiàn)點：

（1）發(fā)現(xiàn)了濺射離子簇的同位素效應(yīng)，證明團簇的形成與構(gòu)成簇的同位素性質(zhì)有關(guān)。發(fā)展了過渡金屬團簇電離勢的有效配位數(shù)理論，建立了過渡金屬團簇經(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][原子分子物理學(xué)其他學(xué)科]

（2）首先觀察到硅團簇表面振動模及其量子特性，發(fā)現(xiàn)鍺團簇具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)生長模式和高的極化率，觀察到鍺團簇組裝膜由量子限制效應(yīng)引起的帶隙展寬及紫光到藍光區(qū)的光致發(fā)光，氟化鋰團簇的多階拉曼散射及聲學(xué)聲子增強效應(yīng)。[代表論文1，8][原子分子物理學(xué)其他學(xué)科]

（3）用低能團簇束流制備了多種金屬團簇納米結(jié)構(gòu)，獲得支撐金團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)其與團簇數(shù)目和團簇組成的結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。觀察到鈀團簇構(gòu)成納米固體的界面遷移效應(yīng)以及在隧道電流作用下團簇由無規(guī)向有規(guī)排序。[代表論文5][原子分子物理學(xué)其他學(xué)科]

（4）發(fā)展了一組制備氧化物團簇和納米絲的新方法，不僅可制備廉價氧化物團簇，而且制得完美的氧化鈦單晶納米絲和氧化亞銅納米線，觀察到氧化錫納米粒子紅外寬帶吸收。[代表論文9、10][低維物理學(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)變及熔化行為均是從線芯開始，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][原子分子物理學(xué)其他學(xué)科]

（6）首次在實驗上直接觀察到包裹團簇的納米噴射及其尺寸效應(yīng)。[代表論文3][原子分子物理學(xué)其他學(xué)科]

主要完成人： 王廣厚

課題負(fù)責(zé)人，主持了全部的研究工作。提出該項目的總體實驗方案、理論模型和主要學(xué)術(shù)思想，指導(dǎo)課題組對原子團簇和團簇組裝體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開展深入系統(tǒng)的研究。帶領(lǐng)課題組自行設(shè)計和研制成功多臺團簇束流實驗裝置。對發(fā)現(xiàn)點1，2，3，4，5，6 作出了貢獻。以上工作占完成人工作量80％以上。

韓民

從1989 年起即參加本項目的研究，研究低能團簇束流淀積技術(shù)制備團簇點陣和納米結(jié)構(gòu)的機理和方法，尤其是在團簇束流裝置的研制中發(fā)揮骨干作用，研究了鍺團簇膜的制備方法、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，對發(fā)現(xiàn)點2,3,6 作出了貢獻。以上工作占完成人工作量80％以上。

趙紀(jì)軍

從事金屬團簇結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究，提出過渡金屬團簇電離勢和磁矩的有效配位數(shù)模型，建立過渡金屬團簇經(jīng)歷金屬－非金屬、磁性－非磁性轉(zhuǎn)變的臨界尺寸方程，為實驗所證實并獲應(yīng)用。對發(fā)現(xiàn)點1，3 和5 作出了貢獻。以上工作占完成人工作量70％左右。

劉峰奇

開展了團簇組裝結(jié)構(gòu)的拉曼散射研究，特別是以多孔硅為襯底，將Si 團簇以軟著陸方式嵌入多孔硅基體中，得到準(zhǔn)自由硅團簇表面模的實驗證據(jù)。對發(fā)現(xiàn)點2 做出了貢獻。以上工作占完成人工作量60％左右。

王保林

運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，對發(fā)現(xiàn)點5 作出了貢獻。以上工作占完成人工作量60％以上。