項目名稱： 原子團簇和團簇組裝的奇特結構和物理性質的研究

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物理的交叉學科。

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，在原子團簇和團簇組裝的制備、結構和物理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；

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引起的帶隙展寬及紫、藍色光致發光，氟化鋰團簇多階拉曼散射及聲學聲子增強效應；

用低能團簇束流制備了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，觀察到鈀團簇構成納米固體界面的遷移效應和在隧道電流作用下團簇由無規向有序排序；

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；

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。本項目發表的62篇SCI主要學術論文已被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，應國際學術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)。

主要發現點： 1、核心發現點：

（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][原子分子物理學其他學科]

（2）首先觀察到硅團簇表面振動模及其量子特性，發現鍺團簇具有準一維結構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1，8][原子分子物理學其他學科]

（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。觀察到鈀團簇構成納米固體的界面遷移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][原子分子物理學其他學科]

（4）發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]

（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是從線芯開始，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][原子分子物理學其他學科]

（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。[代表論文3][原子分子物理學其他學科]

主要完成人： 王廣厚

課題負責人，主持了全部的研究工作。提出該項目的總體實驗方案、理論模型和主要學術思想，指導課題組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。帶領課題組自行設計和研制成功多臺團簇束流實驗裝置。對發現點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制備團簇點陣和納米結構的機理和方法，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，對發現點2,3,6 作出了貢獻。以上工作占完成人工作量80％以上。

趙紀軍

從事金屬團簇結構和性質的研究，提出過渡金屬團簇電離勢和磁矩的有效配位數模型，建立過渡金屬團簇經歷金屬－非金屬、磁性－非磁性轉變的臨界尺寸方程，為實驗所證實并獲應用。對發現點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基體中，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。以上工作占完成人工作量60％左右。

王保林

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，對發現點5 作出了貢獻。以上工作占完成人工作量60％以上。