项目名称： 原子团簇和团簇组装的奇特结构和物理性质的研究

推荐单位： 教育部

项目简介： 本项目属原子分子物理与凝聚态物理的交叉学科。

原子团簇是由几个至上万个原子或分子组成的细小体系，具有一系列与尺寸相关的奇特结构和性质，而以团簇为基元制备具有量子性质的纳米结构成为当前纳米科学技术热点之一。本项目自1985年起，在原子团簇和团簇组装的制备、结构和物理性质等方面进行了系统研究。取得了一系列具有国际影响的创新成果。主要学术贡献有：

发现了溅射离子簇的同位素效应，证明团簇形成与构成簇的同位素性质有关，发展了过渡金属团簇电离势的有效配位数理论，建立了过渡金属团簇经历金属-非金属、磁性-非磁性转变的尺寸方程；

观察到硅团簇的表面振动模及其量子特性，锗团簇组装膜由量子限制效应引起的带隙展宽及紫、蓝色光致发光，氟化锂团簇多阶拉曼散射及声学声子增强效应；

用低能团簇束流制备了多种金属团簇纳米结构，在支撑金团簇形成的层状纳米结构膜中发现多道共振隧穿及其与团簇数目和团簇组成结构的关联，观察到钯团簇构成纳米固体界面的迁移效应和在隧道电流作用下团簇由无规向有序排序；

以团簇为基元或前驱物，发展了一系列制备功能氧化物团簇和纳米丝的新方法，不仅可制备得大量廉价氧化物团簇，还制得无缺陷的氧化钛单晶纳米丝和氧化亚铜纳米线；

揭示了金属原子线由原子链状向晶态的演变规律，发现超细原子线呈螺旋多壳结构。由非晶向晶态转变是由线芯开始的；

在实验上观察到包裹团簇的纳米喷射及其尺寸效应。

这些成果不仅丰富了团簇物理的基础理论，而且为以团簇为基元研制新型纳米材料和量子器件开辟了新途径。本项目发表的62篇SCI主要学术论文已被SCI他引1245篇次。10篇代表性论文被SCI论文正面他引330篇次(其中包括11篇综述论文)，单篇引文达89篇次，并被8本外国专著成段引用。主要完成人在国际会议作邀请报告10次，应国际学术刊物和专著邀请撰写综述论文4篇，主持召开第十二届"小颗粒与无机团簇国际大会(ISSPIC-12)"(2004年)。

主要发现点： 1、核心发现点：

（1）发现了溅射离子簇的同位素效应，证明团簇的形成与构成簇的同位素性质有关。发展了过渡金属团簇电离势的有效配位数理论，建立了过渡金属团簇经历金属-非金属、磁性-非磁性转变的尺寸方程。[代表论文4、6、7][原子分子物理学其他学科]

（2）首先观察到硅团簇表面振动模及其量子特性，发现锗团簇具有准一维结构生长模式和高的极化率，观察到锗团簇组装膜由量子限制效应引起的带隙展宽及紫光到蓝光区的光致发光，氟化锂团簇的多阶拉曼散射及声学声子增强效应。[代表论文1，8][原子分子物理学其他学科]

（3）用低能团簇束流制备了多种金属团簇纳米结构，获得支撑金团簇形成的层状的纳米结构膜并观察到多道共振隧穿，发现其与团簇数目和团簇组成的结构的关联。观察到钯团簇构成纳米固体的界面迁移效应以及在隧道电流作用下团簇由无规向有规排序。[代表论文5][原子分子物理学其他学科]

（4）发展了一组制备氧化物团簇和纳米丝的新方法，不仅可制备廉价氧化物团簇，而且制得完美的氧化钛单晶纳米丝和氧化亚铜纳米线，观察到氧化锡纳米粒子红外宽带吸收。[代表论文9、10][低维物理学]

（5）揭示了金属原子线由原子链状向晶态的演变规律，发现超细原子线呈螺旋多壳结构，当直径增加到3nm，转变为fcc结构，而且这种由非晶向晶态转变及熔化行为均是从线芯开始，其电磁性质不仅与尺寸有关而且与结构有关,存在"幻数"效应。[代表论文2][原子分子物理学其他学科]

（6）首次在实验上直接观察到包裹团簇的纳米喷射及其尺寸效应。[代表论文3][原子分子物理学其他学科]

主要完成人： 王广厚

课题负责人，主持了全部的研究工作。提出该项目的总体实验方案、理论模型和主要学术思想，指导课题组对原子团簇和团簇组装体系的结构和性质开展深入系统的研究。带领课题组自行设计和研制成功多台团簇束流实验装置。对发现点1，2，3，4，5，6 作出了贡献。以上工作占完成人工作量80％以上。

韩民

从1989 年起即参加本项目的研究，研究低能团簇束流淀积技术制备团簇点阵和纳米结构的机理和方法，尤其是在团簇束流装置的研制中发挥骨干作用，研究了锗团簇膜的制备方法、结构和光学性质，对发现点2,3,6 作出了贡献。以上工作占完成人工作量80％以上。

赵纪军

从事金属团簇结构和性质的研究，提出过渡金属团簇电离势和磁矩的有效配位数模型，建立过渡金属团簇经历金属－非金属、磁性－非磁性转变的临界尺寸方程，为实验所证实并获应用。对发现点1，3 和5 作出了贡献。以上工作占完成人工作量70％左右。

刘峰奇

开展了团簇组装结构的拉曼散射研究，特别是以多孔硅为衬底，将Si 团簇以软着陆方式嵌入多孔硅基体中，得到准自由硅团簇表面模的实验证据。对发现点2 做出了贡献。以上工作占完成人工作量60％左右。

王保林

运用遗传算法和分子动力学模拟等方法研究金属原子线的原子和电子结构及其随尺寸的演变规律，得到金原子线由原子链状到多层圆柱壳直至晶态的生长序列，对发现点5 作出了贡献。以上工作占完成人工作量60％以上。