項目名稱：    團簇和團簇材料的制備、結構和性質研究

推薦單位：    教育部

項目簡介：    本項目屬材料科學領域納米材料學。

原子團簇是由幾個至上萬個原子或分子組成的細小體系，具有一系列與尺寸相關的奇特結構和性質，而以團簇為基元制備具有量子性質的納米結構成為當前納米科學技術熱點之一。本項目自1985 年起，在團簇和團簇材料的制備、結構和性質等方面進行了系統研究。取得了一系列具有國際影響的創新成果。主要學術貢獻有：

發現了濺射離子簇的同位素效應，證明團簇形成與構成簇的同位素性質有關，發展了過渡金屬團簇電離勢的有效配位數理論，建立過渡金屬團簇經歷金屬-非金屬、磁性-非磁性轉變的尺寸方程。

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

發展了低能團簇束流淀積技術，制備多種金屬團簇納米結構，在支撐金團簇形成的層狀納米結構膜中發現多道共振隧穿及其與團簇數目和團簇組成結構的關聯，首次觀察到鈀團簇構成納米固體界面的徙動效應和在隧道電流作用下團簇由無規向有規排序；

以團簇為基元或前驅物，發展了一系列制備功能氧化物納米團簇和納米絲的新方法，不僅可低成本制備得大量氧化物團簇，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的演變規律，發現超細原子線呈螺旋多殼結構。由非晶向晶態轉變是由線芯開始的；

首次在實驗上觀察到包裹團簇的納米噴射及其尺寸效應。

這些成果不僅豐富了團簇物理的基礎理論，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62 篇主要學術論文已被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，應國際學術刊物和專著邀請撰寫綜述論文3 篇，主持召開了第十二屆"小顆粒與無機團簇國際大會"(2004 年)。

主要發現點：  （1）發現了濺射離子簇的同位素效應，證明團簇的形成與構成簇的同位素性質有關。發展了過渡金屬團簇電離勢的有效配位數理論，建立了過渡金屬團簇經歷金屬-非金屬、磁性-非磁性轉變的尺寸方程。[代表論文4、6、7] (納米材料學)

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

（3）用低能團簇束流制備了多種金屬團簇納米結構。獲得支撐金團簇形成的層狀的納米結構膜并觀察到多道共振隧穿，發現其與團簇數目和團簇組成的結構的關聯。首次觀察到鈀團簇構成納米固體的界面徙動效應以及在隧道電流作用下團簇由無規向有規排序。[代表論文5] (納米材料學)

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

（5）揭示了金屬原子線由原子鏈狀向晶態的演變規律，發現超細原子線呈螺旋多殼結構，當直徑增加到3nm，轉變為fcc 結構，而且這種由非晶向晶態轉變及熔化行為均從線芯開始，其電磁性質不僅與尺寸有關而且與結構有關,存在"幻數"效應。[代表論文2] (納米材料學)

（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。[代表論文3] (納米材料學)

主要完成人：  1.   王廣厚

該項目的學術負責人，提出該項目的總體實驗方案、理論模型和主要學術思想，指導研究生對原子團

簇和團簇組裝體系的結構和性質開展深入系統的研究。對主要發現點1，2，3，4，5，6 作出了貢獻。以上工作占完成人總工作量的80%以上。

2.   韓民

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

制備方法、結構和光學性質，對主要發現點中2,3,6 作出了貢獻。以上工作占完成人總工作量的80%以上。

3.   趙紀軍

本人從事金屬團簇結構和性質的理論研究，提出過渡金屬團簇電離勢和磁矩的有效配位數模型，建立

過渡金屬團簇性質的臨界尺寸方程，為實驗所證實。對發現點1，3 和5 作出了貢獻。以上工作占完成人總工作量的70%以上。

4.   劉峰奇

本人開展了團簇組裝結構的拉曼散射研究，特別是以多孔硅為襯底，將Si 團簇以軟著陸方式嵌入多孔

硅母體框架中，得到準自由硅團簇表面模的實驗證據。對發現點2 做出了貢獻。以上工作占完成人總工作量的60%以上。

5.   王保林

本人運用遺傳算法和分子動力學模擬等方法研究金屬原子線的原子和電子結構及其隨尺寸的演變規

律，得到金原子線由原子鏈狀到多層圓柱殼直至晶態的生長序列，對主要發現點5 作出了貢獻。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