项目名称： 原子分子操纵、组装及其特性的STM研究

推荐单位： 中国科学院

项目简介： 本项目属物理科学中的应用基础研究。围绕低维纳米结构材料的组装机制及其功能特性，本项目自1993年起系统研究了材料表面的结构特性及其原子分子操纵和纳米加工、纳米结构的组装、生长和功能特性；取得了一系列在国际上有影响力的创新性成果。

1. 基于对硅表面结构与特性的研究，在硅表面实现了原子提取、放置和原子级平整沟槽的纳米加工；在国际上首次实现了沿硅表面特定晶格方向的单原子有序移植。在硅表面操纵原子写出了纳米尺寸的汉字"中国"，被两院院士评为"1994年中国十大科技新闻"。

2. 提出了一种提高STM观察材料表面精细结构及其电子结构的新途径，得到了自STM发明以来最高分辨的Si(111)7×7的STM图像，清晰地分辨出单胞中的所有adatom 和rest atom；建立了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附的"替代机制"，解决了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附位置长期以来悬而未决的问题；揭示了金属纳米粒子成核生长的动力学机制。

3. 设计和合成了一系列有特色的功能纳米分子体系，首次实现了在单个分子尺度上的电导转变，显示了其在纳米存储材料中的潜在应用前景。该项研究从1996年至今一直居国际前沿，连续被国际科学机构报导，成为美国物理学会的Physical Review Focus、美国的Science News、美国能源部的每周报道和Nature Materials的研究亮点，被称为"在国际上首次在单个分子的水平上实现了超高密度的信息存储"、"奔向下一代的CD" 等等，还分别在1997和2001年被两院院士评为"中国十大科技进展"和"中国基础科学研究十大新闻"。

这些成果不仅丰富了功能纳米结构材料构筑研究的基础，而且为纳米信息存储材料及其器件的前沿基础研究开辟了新的途径。本项目包含55篇重要国际刊物论文，其中Phys. Rev. Lett. 3篇，Adv. Mater. 8篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇和Appl. Phys. Lett. 11篇；国际专著4本/章节。论文被他人SCI引用785次， 10篇代表性论文被他人SCI引用251次。本项目在重要国际会议做邀请报告20余次。

主要发现点： 1. 核心发现点：

(1) 原子操纵。首创了用移植单原子的电流扫描法，实现了沿硅表面特定晶格方向的单原子有序移植，得到了原子级平整的沟槽边界，其宽度为晶体表面的单胞大小。[代表论文5等]（表面与界面物理学）

(2) 分子操纵。首次在实验上直接观察到固态下一类功能分子Rotaxane 的单分子内部结构及其相应的电导可被电场操纵，发现这种结构与特性的转变是可逆的；进一步发现修饰该类分子的结构可改进其电导转变的稳定性、可逆性和可重复性。[代表论文7等] （表面与界面物理学）

(3) 纳米电导相变。设计、合成和制备了一系列具有不同功能结构和特性的有机和有机/无机复合体系，首次实现了纳米分子功能薄膜中近单分子尺寸的纳米级电导相变，建立了结构与电导特性的关系，利用其功能特性可在原理上实现超高密度的信息存储。[代表论文2、4、6、8等] （薄膜物理学）

2. 重要发现点：

(1) 提出了一种提高STM观察材料表面未知精细结构及其电子结构的新途径，得到了自STM发明20年以来最高分辨的Si(111)7×7的STM图像，首次清晰地分辨出单胞中的所有adatom 和rest atom；在此基础上建立了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附的"替代机制"，解决了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附位置在理论和实验上一直悬而未决的问题。[代表论文3等]（表面与界面物理学）

(2) 系统地发展了功能分子组装生长的动力学，得到了可控自组织生长的"分子海马"奇异结构，建立了其数学物理模型；建立了银纳米粒子组装生长的动力学模型，制得了单分散性好、两维有序的银纳米粒子及光学特性可调的金银合金纳米粒子；得到了结构可调控的自组装单分子薄膜。[代表论文1、9、10等]（低维物理学）

主要完成人： 高鸿钧

该项目的学术负责人，提出该项目的总体实验方案、理论模型和主要学术思想。在半导体表面结构与特性、功能体系组装与物性及其有关的STM研究等方面开展了系统的工作。对核心发现点2，3、重要发现点1，2 作出了贡献。论文1、3、4、7、9，10的贡献者。以上工作占完成人总工作量的80％以上。

宋延林

本项目中主要负责功能分子的设计和薄膜制备与表征等。设计制备了一系列具有特色的新型有机功能分子材料，在纳米和分子尺度上作为信息存储介质显示出稳定性、重复性和可擦除性好的特点。在本项目发表的的重要论文Adv. Mater.中，为其中4篇的通讯作者。对核心发现点3作出了贡献。论文2、4、6的贡献者。以上工作占完成人总工作量的60％以上。

时东霞

本项目中对有机功能纳米体系及其薄膜组装中的的表面和界面问题、相互作用机制和生长特性进行了系统研究。采用STM电压脉冲技术在一系列的有机纳米薄膜上得到了稳定、重复的纳米信息存储。其中，在PNBN有机薄膜上写入了0.6nm最小点径信息点阵。对核心发现点3作出了贡献。论文4、9、10的贡献者。以上工作占完成人总工作量的60％以上。

张德清

本项目中设计、合成了十多个含有光电功能基团的分子，研究了它们在外界条件影响下的光谱和电化学性质变化，发现一些分子具有双稳态性质，构建了分子开关，并在此基础上与物理所合作研究了该类分子在薄膜状态下的电学性质变化，探索其在高密度信息存储方面的应用。对核心发现点2作出了贡献。论文7的贡献者。以上工作占完成人总工作量的50％以上。

庞世瑾

本项目中STM的原子操纵和纳米加工的主要学术负责人。对有机纳米体系电导转变工作作出贡献，在硅表面上成功地进行了提取、放置原子和加工原子级平整的沟槽纳米，得到了沿硅表面特定晶格方向的单原子的有序移植为一维结构。对核心发现点1，3、重要发现点2作出了贡献。论文1、2、5、8的贡献者。以上工作占完成人总工作量的50％以上。