項目名稱： 原子分子操縱、組裝及其特性的STM研究

推薦單位： 中國科學院

項目簡介： 本項目屬物理科學中的應用基礎研究。圍繞低維納米結構材料的組裝機制及其功能特性，本項目自1993年起系統研究了材料表面的結構特性及其原子分子操縱和納米加工、納米結構的組裝、生長和功能特性；取得了一系列在國際上有影響力的創新性成果。

1. 基于對硅表面結構與特性的研究，在硅表面實現了原子提取、放置和原子級平整溝槽的納米加工；在國際上首次實現了沿硅表面特定晶格方向的單原子有序移植。在硅表面操縱原子寫出了納米尺寸的漢字"中國"，被兩院院士評為"1994年中國十大科技新聞"。

2. 提出了一種提高STM觀察材料表面精細結構及其電子結構的新途徑，得到了自STM發明以來最高分辨的Si(111)7×7的STM圖像，清晰地分辨出單胞中的所有adatom 和rest atom；建立了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附的"替代機制"，解決了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附位置長期以來懸而未決的問題；揭示了金屬納米粒子成核生長的動力學機制。

3. 設計和合成了一系列有特色的功能納米分子體系，首次實現了在單個分子尺度上的電導轉變，顯示了其在納米存儲材料中的潛在應用前景。該項研究從1996年至今一直居國際前沿，連續被國際科學機構報導，成為美國物理學會的Physical Review Focus、美國的Science News、美國能源部的每周報道和Nature Materials的研究亮點，被稱為"在國際上首次在單個分子的水平上實現了超高密度的信息存儲"、"奔向下一代的CD" 等等，還分別在1997和2001年被兩院院士評為"中國十大科技進展"和"中國基礎科學研究十大新聞"。

這些成果不僅豐富了功能納米結構材料構筑研究的基礎，而且為納米信息存儲材料及其器件的前沿基礎研究開辟了新的途徑。本項目包含55篇重要國際刊物論文，其中Phys. Rev. Lett. 3篇，Adv. Mater. 8篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇和Appl. Phys. Lett. 11篇；國際專著4本/章節。論文被他人SCI引用785次， 10篇代表性論文被他人SCI引用251次。本項目在重要國際會議做邀請報告20余次。

主要發現點： 1. 核心發現點：

(1) 原子操縱。首創了用移植單原子的電流掃描法，實現了沿硅表面特定晶格方向的單原子有序移植，得到了原子級平整的溝槽邊界，其寬度為晶體表面的單胞大小。[代表論文5等]（表面與界面物理學）

(2) 分子操縱。首次在實驗上直接觀察到固態下一類功能分子Rotaxane 的單分子內部結構及其相應的電導可被電場操縱，發現這種結構與特性的轉變是可逆的；進一步發現修飾該類分子的結構可改進其電導轉變的穩定性、可逆性和可重復性。[代表論文7等] （表面與界面物理學）

(3) 納米電導相變。設計、合成和制備了一系列具有不同功能結構和特性的有機和有機/無機復合體系，首次實現了納米分子功能薄膜中近單分子尺寸的納米級電導相變，建立了結構與電導特性的關系，利用其功能特性可在原理上實現超高密度的信息存儲。[代表論文2、4、6、8等] （薄膜物理學）

2. 重要發現點：

(1) 提出了一種提高STM觀察材料表面未知精細結構及其電子結構的新途徑，得到了自STM發明20年以來最高分辨的Si(111)7×7的STM圖像，首次清晰地分辨出單胞中的所有adatom 和rest atom；在此基礎上建立了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附的"替代機制"，解決了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附位置在理論和實驗上一直懸而未決的問題。[代表論文3等]（表面與界面物理學）

(2) 系統地發展了功能分子組裝生長的動力學，得到了可控自組織生長的"分子海馬"奇異結構，建立了其數學物理模型；建立了銀納米粒子組裝生長的動力學模型，制得了單分散性好、兩維有序的銀納米粒子及光學特性可調的金銀合金納米粒子；得到了結構可調控的自組裝單分子薄膜。[代表論文1、9、10等]（低維物理學）

主要完成人： 高鴻鈞

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。在半導體表面結構與特性、功能體系組裝與物性及其有關的STM研究等方面開展了系統的工作。對核心發現點2，3、重要發現點1，2 作出了貢獻。論文1、3、4、7、9，10的貢獻者。以上工作占完成人總工作量的80％以上。

宋延林

本項目中主要負責功能分子的設計和薄膜制備與表征等。設計制備了一系列具有特色的新型有機功能分子材料，在納米和分子尺度上作為信息存儲介質顯示出穩定性、重復性和可擦除性好的特點。在本項目發表的的重要論文Adv. Mater.中，為其中4篇的通訊作者。對核心發現點3作出了貢獻。論文2、4、6的貢獻者。以上工作占完成人總工作量的60％以上。

時東霞

本項目中對有機功能納米體系及其薄膜組裝中的的表面和界面問題、相互作用機制和生長特性進行了系統研究。采用STM電壓脈沖技術在一系列的有機納米薄膜上得到了穩定、重復的納米信息存儲。其中，在PNBN有機薄膜上寫入了0.6nm最小點徑信息點陣。對核心發現點3作出了貢獻。論文4、9、10的貢獻者。以上工作占完成人總工作量的60％以上。

張德清

本項目中設計、合成了十多個含有光電功能基團的分子，研究了它們在外界條件影響下的光譜和電化學性質變化，發現一些分子具有雙穩態性質，構建了分子開關，并在此基礎上與物理所合作研究了該類分子在薄膜狀態下的電學性質變化，探索其在高密度信息存儲方面的應用。對核心發現點2作出了貢獻。論文7的貢獻者。以上工作占完成人總工作量的50％以上。

龐世瑾

本項目中STM的原子操縱和納米加工的主要學術負責人。對有機納米體系電導轉變工作作出貢獻，在硅表面上成功地進行了提取、放置原子和加工原子級平整的溝槽納米，得到了沿硅表面特定晶格方向的單原子的有序移植為一維結構。對核心發現點1，3、重要發現點2作出了貢獻。論文1、2、5、8的貢獻者。以上工作占完成人總工作量的50％以上。