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項(xiàng)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(guó)科學(xué)院
項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 本項(xiàng)目屬物理科學(xué)中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。圍繞低維納米結(jié)構(gòu)材料的組裝機(jī)制及其功能特性，本項(xiàng)目自1993年起系統(tǒng)研究了材料表面的結(jié)構(gòu)特性及其原子分子操縱和納米加工、納米結(jié)構(gòu)的組裝、生長(zhǎng)和功能特性；取得了一系列在國(guó)際上有影響力的創(chuàng)新性成果。
1. 基于對(duì)硅表面結(jié)構(gòu)與特性的研究，在硅表面實(shí)現(xiàn)了原子提取、放置和原子級(jí)平整溝槽的納米加工；在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)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(guó)"，被兩院院士評(píng)為"1994年中國(guó)十大科技新聞"。
2. 提出了一種提高STM觀察材料表面精細(xì)結(jié)構(gòu)及其電子結(jié)構(gòu)的新途徑，得到了自STM發(fā)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(jī)制"，解決了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附位置長(zhǎng)期以來懸而未決的問題；揭示了金屬納米粒子成核生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
3. 設(shè)計(jì)和合成了一系列有特色的功能納米分子體系，首次實(shí)現(xiàn)了在單個(gè)分子尺度上的電導(dǎo)轉(zhuǎn)變，顯示了其在納米存儲(chǔ)材料中的潛在應(yīng)用前景。該項(xiàng)研究從1996年至今一直居國(guó)際前沿，連續(xù)被國(guó)際科學(xué)機(jī)構(gòu)報(bào)導(dǎo)，成為美國(guó)物理學(xué)會(huì)的Physical Review Focus、美國(guó)的Science News、美國(guó)能源部的每周報(bào)道和Nature Materials的研究亮點(diǎn)，被稱為"在國(guó)際上首次在單個(gè)分子的水平上實(shí)現(xiàn)了超高密度的信息存儲(chǔ)"、"奔向下一代的CD" 等等，還分別在1997和2001年被兩院院士評(píng)為"中國(guó)十大科技進(jìn)展"和"中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究十大新聞"。
這些成果不僅豐富了功能納米結(jié)構(gòu)材料構(gòu)筑研究的基礎(chǔ)，而且為納米信息存儲(chǔ)材料及其器件的前沿基礎(chǔ)研究開辟了新的途徑。本項(xiàng)目包含55篇重要國(guó)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(guó)際專著4本/章節(jié)。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(xiàng)目在重要國(guó)際會(huì)議做邀請(qǐng)報(bào)告20余次。
主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 1. 核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：
(1) 原子操縱。首創(chuàng)了用移植單原子的電流掃描法，實(shí)現(xiàn)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(jí)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(xué)）
(2) 分子操縱。首次在實(shí)驗(yàn)上直接觀察到固態(tài)下一類功能分子Rotaxane 的單分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的電導(dǎo)可被電場(chǎng)操縱，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)與特性的轉(zhuǎn)變是可逆的；進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)修飾該類分子的結(jié)構(gòu)可改進(jìn)其電導(dǎo)轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定性、可逆性和可重復(fù)性。[代表論文7等] （表面與界面物理學(xué)）
(3) 納米電導(dǎo)相變。設(shè)計(jì)、合成和制備了一系列具有不同功能結(jié)構(gòu)和特性的有機(jī)和有機(jī)/無機(jī)復(fù)合體系，首次實(shí)現(xiàn)了納米分子功能薄膜中近單分子尺寸的納米級(jí)電導(dǎo)相變，建立了結(jié)構(gòu)與電導(dǎo)特性的關(guān)系，利用其功能特性可在原理上實(shí)現(xiàn)超高密度的信息存儲(chǔ)。[代表論文2、4、6、8等] （薄膜物理學(xué)）
2. 重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：
(1) 提出了一種提高STM觀察材料表面未知精細(xì)結(jié)構(gòu)及其電子結(jié)構(gòu)的新途徑，得到了自STM發(fā)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(chǔ)上建立了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附的"替代機(jī)制"，解決了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附位置在理論和實(shí)驗(yàn)上一直懸而未決的問題。[代表論文3等]（表面與界面物理學(xué)）
(2) 系統(tǒng)地發(fā)展了功能分子組裝生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)，得到了可控自組織生長(zhǎng)的"分子海馬"奇異結(jié)構(gòu)，建立了其數(shù)學(xué)物理模型；建立了銀納米粒子組裝生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型，制得了單分散性好、兩維有序的銀納米粒子及光學(xué)特性可調(diào)的金銀合金納米粒子；得到了結(jié)構(gòu)可調(diào)控的自組裝單分子薄膜。[代表論文1、9、10等]（低維物理學(xué)）
主要完成人： 高鴻鈞
該項(xiàng)目的學(xué)術(shù)負(fù)責(zé)人，提出該項(xiàng)目的總體實(shí)驗(yàn)方案、理論模型和主要學(xué)術(shù)思想。在半導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)與特性、功能體系組裝與物性及其有關(guān)的STM研究等方面開展了系統(tǒng)的工作。對(duì)核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2，3、重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1，2 作出了貢獻(xiàn)。論文1、3、4、7、9，10的貢獻(xiàn)者。以上工作占完成人總工作量的80％以上。
宋延林
本項(xiàng)目中主要負(fù)責(zé)功能分子的設(shè)計(jì)和薄膜制備與表征等。設(shè)計(jì)制備了一系列具有特色的新型有機(jī)功能分子材料，在納米和分子尺度上作為信息存儲(chǔ)介質(zhì)顯示出穩(wěn)定性、重復(fù)性和可擦除性好的特點(diǎn)。在本項(xiàng)目發(fā)表的的重要論文Adv. Mater.中，為其中4篇的通訊作者。對(duì)核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3作出了貢獻(xiàn)。論文2、4、6的貢獻(xiàn)者。以上工作占完成人總工作量的60％以上。
時(shí)東霞
本項(xiàng)目中對(duì)有機(jī)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(jī)制和生長(zhǎng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。采用STM電壓脈沖技術(shù)在一系列的有機(jī)納米薄膜上得到了穩(wěn)定、重復(fù)的納米信息存儲(chǔ)。其中，在PNBN有機(jī)薄膜上寫入了0.6nm最小點(diǎn)徑信息點(diǎn)陣。對(duì)核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)3作出了貢獻(xiàn)。論文4、9、10的貢獻(xiàn)者。以上工作占完成人總工作量的60％以上。
張德清
本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)、合成了十多個(gè)含有光電功能基團(tuán)的分子，研究了它們?cè)谕饨鐥l件影響下的光譜和電化學(xué)性質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)一些分子具有雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)，構(gòu)建了分子開關(guān)，并在此基礎(chǔ)上與物理所合作研究了該類分子在薄膜狀態(tài)下的電學(xué)性質(zhì)變化，探索其在高密度信息存儲(chǔ)方面的應(yīng)用。對(duì)核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2作出了貢獻(xiàn)。論文7的貢獻(xiàn)者。以上工作占完成人總工作量的50％以上。
龐世瑾
本項(xiàng)目中STM的原子操縱和納米加工的主要學(xué)術(shù)負(fù)責(zé)人。對(duì)有機(jī)納米體系電導(dǎo)轉(zhuǎn)變工作作出貢獻(xiàn)，在硅表面上成功地進(jìn)行了提取、放置原子和加工原子級(jí)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(jié)構(gòu)。對(duì)核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1，3、重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)2作出了貢獻(xiàn)。論文1、2、5、8的貢獻(xiàn)者。以上工作占完成人總工作量的50％以上。
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