項(xiàng)目名稱(chēng)： 納米結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)及若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究 首席科學(xué)家： 徐洪杰 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門(mén)： 上海市科委 一、研究?jī)?nèi)容 本項(xiàng)目將在上海光源現(xiàn)有光束線站的基礎(chǔ)上，發(fā)展針對(duì)納米結(jié)構(gòu)研究的新型表征技術(shù)；運(yùn)用建立起來(lái)的新型同步輻射表征技術(shù)，研究納米結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。研究的納米結(jié)構(gòu)主要包括有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)、硅納米結(jié)構(gòu)和碳納米結(jié)構(gòu)。以上述的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向，本項(xiàng)目擬進(jìn)行以下四個(gè)方面的研究： (1) 發(fā)展納米 結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)。在上海光源各光束線站現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，發(fā)展高空間 /高時(shí)間 /高能量分辨、高靈敏度，以及原位、動(dòng)態(tài)的新型表征技術(shù)，重點(diǎn)發(fā)展針對(duì)納米結(jié)構(gòu)研究的高空間分辨 及高時(shí)間分辨的同步輻射 (2) 利用新型同步輻射靜態(tài)表征技術(shù)，研究有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)、硅納米結(jié)構(gòu)、碳納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)情況下的構(gòu)效關(guān)系。對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體納米單體進(jìn)行綜合表征；研究硅、碳納米材料表面 /界面結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系；研究納米結(jié)構(gòu)的量子效應(yīng)與表面效應(yīng)等。 (3) 利用新型 同步輻射原位、動(dòng)態(tài)表征技術(shù)，研究硅納米結(jié)構(gòu)與碳納米結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)情況下的構(gòu)效關(guān)系。研究硅、碳納米材料表面 /界面結(jié)構(gòu)演化與其性能變化的關(guān)系；研究硅、碳納米結(jié)構(gòu)的成核與生長(zhǎng)機(jī)制；研究外部環(huán)境與測(cè)量條件如何影響納米結(jié)構(gòu)的性能。 (4) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得信息，從理論上研究新型同步輻射表征技術(shù)的物理機(jī)制和工作原理，對(duì)表征技術(shù)的發(fā)展提供理論支持；從理論上研究納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系，給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論解釋?zhuān)瑢?duì)納米結(jié)構(gòu)的新現(xiàn)象、新規(guī)律進(jìn)行理論模擬和預(yù)測(cè)。 納米結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)的研究 (1) 在現(xiàn)有光束線站上，研制納米結(jié)構(gòu)的 原位反應(yīng)與生長(zhǎng)裝置，以及測(cè)量環(huán)境控制系統(tǒng)。原位反應(yīng)與生長(zhǎng)裝置包括氣相生長(zhǎng)裝置和液相反應(yīng)裝置，測(cè)量環(huán)境控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)改變溫度、壓力、氣體氛圍、外場(chǎng)等測(cè)量環(huán)境條件。 (2) 在上海光源硬 發(fā)高空間分辨（ 100 射線表征技術(shù)。 (3) 在上海光源 展高時(shí)間分辨（亞秒級(jí)）的快速 (4) 在上海光源 射線譜學(xué)顯微光束線站上，發(fā)展高時(shí)間分辨（亞秒級(jí)）的快速 (5) 在上海光源 站上，發(fā)展高時(shí)間分辨（亞秒級(jí)）的快速 (6) 在現(xiàn)有光束線站上，發(fā)展高時(shí)間分辨（納秒級(jí)）的 利用新型同步輻射靜態(tài)表征技術(shù)，研究納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)情況下的構(gòu)效關(guān)系 (1) 離線生長(zhǎng)有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)、硅納米結(jié)構(gòu)、碳納米結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行表面修飾或摻雜處理。利用新型同步輻射譜學(xué)技術(shù)（ 系統(tǒng)表征這些納米材料的電子結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)，晶相結(jié)構(gòu)，電學(xué)性能以及光學(xué)性能等，研究納米結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及這些效應(yīng)對(duì)其性能的影響。重點(diǎn)研究硅納米線、硅量 子點(diǎn)在不同尺寸下，以及在不同表面環(huán)境與修飾條件下的電子結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)，探明硅納米結(jié)構(gòu)的各種表面態(tài)對(duì)其電子傳輸與發(fā)光性能的影響，從而找到調(diào)控硅納米結(jié)構(gòu)光電性能的方法。例如，硅納米線在不同介質(zhì)里具有不同的表面活性，在水溶液和部分有機(jī)溶劑中展現(xiàn)出很強(qiáng)的表面活性，但在干燥氣氛中卻展現(xiàn)出比硅單晶更高的穩(wěn)定性，而表面活性靈敏度對(duì)硅納米傳感器與光電器件來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。因此本項(xiàng)目將深入研究硅納米線在不同介質(zhì)中的表面結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、以及化學(xué)狀態(tài)等，探究表面活性變化的機(jī)理。例如利用 和化學(xué)態(tài)，并結(jié)合常規(guī)的表面分析技術(shù)（掃描隧道顯微鏡與光電子能譜等），可以獲得完整的硅納米線表面信息，從而理解表面活性變化的機(jī)理。 (2) 納米結(jié)構(gòu)集合體的表征只能得到集合體的統(tǒng)計(jì)平均信息，而且容易受到尺寸和形貌分布的影響，因此無(wú)法精確地反映每一個(gè)單體的結(jié)構(gòu)與性能。本項(xiàng)目將研究納米單體的綜合表征，以獲得納米單體結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的準(zhǔn)確信息。重點(diǎn)研究有機(jī)半導(dǎo)體納米單體，利用建立起來(lái)的 100 射線微聚焦技術(shù)，排除合成與分散過(guò)程中副產(chǎn)物及溶劑殘留物的影響，無(wú)損傷地表征有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的結(jié)構(gòu)和性能（如 元素成份、相組成、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能）。研究單體結(jié)構(gòu)、尺寸、形貌、官能團(tuán)等因素對(duì)其電子傳輸與發(fā)光性能的影響，從而找到調(diào)控有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)光電性能的方法。例如利用微聚焦的 焦單個(gè)有機(jī)半導(dǎo)體納米單體，并結(jié)合微聚焦的 用微聚焦的 而明確單體結(jié)構(gòu)、尺寸、形貌、官能團(tuán)等因素與其發(fā)光性能的的關(guān)系。 利用新型同步輻射原位、動(dòng)態(tài)表征技術(shù)，研究納米結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)效關(guān)系 (1) 在線生長(zhǎng)硅納米結(jié)構(gòu)與 碳納米結(jié)構(gòu)，利用高時(shí)間分辨的快速 此為基礎(chǔ)研究納米結(jié)構(gòu)的成核與生長(zhǎng)行為（包括碳納米管和硅納米線的 納米線氧化物輔助生長(zhǎng)機(jī)制、及石墨烯化學(xué)氣相沉積合成機(jī)制），研究納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，以及研究表面 /界面結(jié)構(gòu)演化與其性能變化之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。例如通過(guò)在原位生長(zhǎng)環(huán)境下實(shí)時(shí)觀測(cè)硅、碳和金屬顆粒催化劑的相互作用過(guò)程，金屬顆粒催化劑的結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，硅、碳在金屬顆粒表面的相變過(guò)程；同時(shí)研究溫度、壓力、氣體氛圍等外部條件對(duì)硅、碳納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng) 過(guò)程的影響，從中找到納米結(jié)構(gòu)可控生長(zhǎng)的方法。 (2) 改變納米結(jié)構(gòu)的測(cè)量環(huán)境條件（如溫度、壓力、氣體氛圍、外場(chǎng)等），利用高時(shí)間分辨的 在此基礎(chǔ)上研究納米材料結(jié)構(gòu)與性能之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。重點(diǎn)研究硅納米線、硅量子點(diǎn)、碳納米管、石墨烯的表面電子結(jié)構(gòu)，及其對(duì)各種外界介質(zhì)（如敏感氣體、表面修飾物與吸附物）的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。研究不同壞境下納米結(jié)構(gòu)的性能穩(wěn)定性，探討納米化學(xué)生物傳感與納米光電應(yīng)用中的基礎(chǔ)問(wèn)題 。本項(xiàng)目還將結(jié)合高時(shí)間分辨的 究有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)和硅納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能，跟蹤發(fā)光過(guò)程，明確發(fā)光中心，探究發(fā)光機(jī)制與發(fā)光穩(wěn)定性。 納米結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)及若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的理論研究 與實(shí)驗(yàn)研究相關(guān)的理論研究主要分為三個(gè)方面。第一個(gè)方面研究納米結(jié)構(gòu)與同步輻射光束的相互作用機(jī)理，研究受激納米結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)特性，模擬計(jì)算納米結(jié)構(gòu)的載流子散射、聲子 子 吸收和能量擴(kuò)散等過(guò)程。第二個(gè)方面研究納米材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的微觀機(jī)制，研究納米材料的自旋與電子結(jié)構(gòu)，計(jì) 算決定納米結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵參數(shù)。第三個(gè)方面研究納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制，研究缺陷的產(chǎn)生與修復(fù)過(guò)程，計(jì)算溫度、壓力、氣體氛圍、外場(chǎng)等外部條件對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程的影響。理論研究將對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供理論解釋?zhuān)瑫r(shí)對(duì)納米結(jié)構(gòu)的新現(xiàn)象、新規(guī)律提供理論預(yù)測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo) (1) 通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，發(fā)展基于同步輻射光源的新型表征技術(shù)。建立空間分辨率達(dá)到 100射線微聚焦技術(shù)，亞秒級(jí)的快速 及納秒級(jí)時(shí)間分辨的 立國(guó)際水平的納米結(jié)構(gòu)研究平臺(tái)。 (2) 利用建立起來(lái)的新型同步輻射表征技術(shù)，揭示納米結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)有機(jī)納米材料單體結(jié)構(gòu)與性能的綜合表征，闡明硅、碳納米材料表面 /界面結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系，以及它們一維納米結(jié)構(gòu)的成核與生長(zhǎng)機(jī)制。 (3) 通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，培養(yǎng)和造就一支在納米科學(xué)研究領(lǐng)域具有國(guó)際影響力的研究隊(duì)伍，建立以上海光源為依托的國(guó)際知名的納米科學(xué)研究基地。 五年預(yù)期目標(biāo) (1) 在上海光源 現(xiàn)高空間分辨（ 100 立針對(duì)納米結(jié)構(gòu)單體的綜合表征技術(shù)。 (2) 在上海光源 取譜時(shí)間從目前的分鐘級(jí)升級(jí)到亞秒級(jí)，實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨的快速譜學(xué)技術(shù)。 (3) 在上海光源多個(gè)光束線站上，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)時(shí)間分辨的 對(duì)立發(fā)光納米結(jié)構(gòu)的表征平臺(tái)。 (4) 在上海光源多個(gè)光束線站上，建立通用的、可拆卸的納米結(jié)構(gòu)氣相生長(zhǎng)系統(tǒng)、液相反應(yīng)系統(tǒng)、原位測(cè)試裝置和測(cè)量環(huán)境控制系統(tǒng)。 (5) 理解納米結(jié)構(gòu)的成核與生長(zhǎng)機(jī)制，明確外部環(huán)境對(duì)納米材料結(jié)構(gòu)與性能的影響，實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)，并探索納米原型器件的制備原理。 (6) 闡明納米材料表面 /界面結(jié)構(gòu)與其性能之間的關(guān)系，以及闡明表面 /界面結(jié)構(gòu)演化與其性能變化的關(guān)系。理解納米結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)與表面效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的性能調(diào)控，并探索納米原型器件的工作原理。 (7) 建立新型同步輻射表征技術(shù)的理論基礎(chǔ)，闡明新型同步輻射表征技術(shù)的物理機(jī)制和工作原理。建立理論模型解釋納米材料表面 /界面結(jié)構(gòu)與其性能之間的關(guān)系，以及解釋表面 /界面結(jié)構(gòu)演化與其性能變化的關(guān)系。對(duì)納米結(jié)構(gòu)的成核與生長(zhǎng)機(jī)制給出理論解釋。 (8) 發(fā)表高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文 100請(qǐng) 10織 2際學(xué)術(shù)會(huì)議，依托本項(xiàng)目培養(yǎng) 30 三、研究方案 學(xué)術(shù)思路 表征技術(shù)的發(fā)展與科學(xué)問(wèn)題的研究是相輔相成的，疑難科學(xué)問(wèn)題為發(fā)展新型表征技術(shù)提供導(dǎo)向和動(dòng)力，而新型表征技術(shù)為解答疑難科學(xué)問(wèn)題提供全新的研究平臺(tái)。首先，我們以納米結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題作為引導(dǎo)，發(fā)展新型同步輻射表征技術(shù)，開(kāi)發(fā)常規(guī)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)手段，建立基于上海光源的納米結(jié)構(gòu)綜合表征平臺(tái)。其次，利用建立起來(lái)的同步輻射表征平臺(tái)，發(fā)揮同步輻射光源高強(qiáng)度、寬頻譜、相干性好的優(yōu)勢(shì)，研究納米結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，一方面力求解答納米科學(xué)領(lǐng)域 中若干懸而未決的難題，另一方面對(duì)新型表征技術(shù)的有效性與實(shí)用性進(jìn)行檢驗(yàn)。下圖給出本項(xiàng)目中表征技術(shù)發(fā)展與科學(xué)問(wèn)題研究之間的依存關(guān)系。 表征技術(shù)方面，首先以高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度為目標(biāo)，我們將發(fā)展同步輻射 X 射線微聚焦技術(shù)，把納米集合體表征技術(shù)拓展到可以表征納米表面 /界面、納米單體的結(jié)構(gòu)與性能；其次以高時(shí)間分辨為目標(biāo)，我們將發(fā)展實(shí)時(shí)、原位檢測(cè)的動(dòng)態(tài)同步輻射 X 射線譜學(xué)技術(shù)（ 使得針對(duì)納米結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)、暫態(tài)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究成為可能。 科學(xué)問(wèn)題方面，我們選擇三類(lèi)具有 重要應(yīng)用潛力和研究?jī)r(jià)值的納米結(jié)構(gòu)，分別為有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)、硅納米結(jié)構(gòu)與碳納米結(jié)構(gòu) ,著重研究這些納米結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)與性能調(diào)控。利用高空間分辨的 X 射線微聚焦技術(shù)，綜合表征有機(jī)納米單體的結(jié)構(gòu)與性能，以及研究硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)與其性能的關(guān)系；利用高時(shí)間分辨的 X 射線譜學(xué)技術(shù)，研究硅、碳納米材料的成核與生長(zhǎng)機(jī)制，以及硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)演化與性能穩(wěn)定性。最后，在同步輻射實(shí)驗(yàn)研究之外，相關(guān)的理論研究將同步進(jìn)行。理論研究分為相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)部分：一部分探究新型同步輻射表征技術(shù)的物理機(jī)制和工作原理， 為技術(shù)途徑提供理論支持；另一部分對(duì)科學(xué)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬、解釋和預(yù)測(cè)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。 技術(shù)途徑 納米結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)研究 上海光源一期將有七條光束線站投入使用，其中有 及軟 項(xiàng)目將搭建納米結(jié)構(gòu)的原位反應(yīng)、生長(zhǎng)與測(cè)量環(huán)境控制系統(tǒng)；升級(jí) 現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高同步輻射表征技術(shù)的空間分辨能力和能量分辨能力；改造 建立 而獲得高時(shí)間分辨的 (1) 納米結(jié)構(gòu)的同步輻射原位生長(zhǎng)與檢測(cè)裝置 我們將在各個(gè)光束線站上研制可裝卸的納米材料原位生長(zhǎng)裝置，該裝置可集成到各個(gè)線站的檢測(cè)終端里。在原位生長(zhǎng)裝置的設(shè)計(jì)上將解決入射 及探測(cè)器如何獲取出射信號(hào)等技術(shù)問(wèn)題。設(shè)計(jì)方案將考慮原位生長(zhǎng)裝置對(duì)各種納米材料以及對(duì)各個(gè)光束線站的通用性。常見(jiàn)的納米材料生長(zhǎng)方式有氣相、液相生長(zhǎng)兩種，我們將搭建這兩種原位生長(zhǎng)裝置，以及環(huán)境條件可控的在線檢測(cè)裝置： 搭建真空氣相 據(jù)光束線站棚屋的位置和空間、以及探測(cè)器的具體要求來(lái)設(shè)計(jì)真空氣相原位生長(zhǎng)裝置，讓 將所有控制生長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)（如氣體流量開(kāi)關(guān)、加熱裝置開(kāi)關(guān)等）安置于光束線站棚屋之外，以便于更好地控制和檢測(cè)納米材料的原位生長(zhǎng)； 研制液相原位生長(zhǎng)和檢測(cè)裝置。根據(jù)光束線站棚屋的位置和空間、以及探測(cè)器的具體要求來(lái)設(shè)計(jì)液相原位生長(zhǎng)裝置，讓 應(yīng)池的尺寸和壁厚將考慮 并設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，用于在光束線站棚屋內(nèi)操縱 溶液器皿和石英反應(yīng)池； 研制測(cè)量環(huán)境控制系統(tǒng)。在檢測(cè)裝置上增添變溫和測(cè)溫部件，增添施加應(yīng)力、外場(chǎng)和測(cè)量應(yīng)力、外場(chǎng)的裝置，以及鋪設(shè)氣體管道，從而可以在不同的溫度、外場(chǎng)、壓力、氣體氛圍等環(huán)境條件下對(duì)樣品進(jìn)行表征。 (2) 高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度的同步輻射靜態(tài)表征技術(shù) 現(xiàn)有 m，難以達(dá)到納米單體結(jié)構(gòu)表征的分辨率要求。為了表征有機(jī)半導(dǎo)體納米單體，以及研究硅、碳納米結(jié)構(gòu)的表面 /界面，必須將光斑尺寸從微米級(jí)進(jìn)一步聚焦到亞微米級(jí)，同時(shí)還必須提高樣品相對(duì)于 置穩(wěn)定性。隨著空間分辨率的提高，能量分辨率與檢測(cè)靈敏度也必須得到相應(yīng)的提高以在小尺寸范圍內(nèi)獲取足夠強(qiáng)度的信號(hào)。擬采取的技術(shù)途徑包括： 采用 X 射線波帶片與 ，將 X 射線微聚焦光束線站的微米級(jí)聚焦光斑進(jìn)一步聚焦，使光斑尺寸小于 100 對(duì)納米探針裝置進(jìn)行局部控溫，選擇穩(wěn)定的裝置材料，將溫度變化造成的樣品相對(duì)于 X 射線光束的空間飄移控制在 10級(jí)；采用激光干涉反饋控制等技術(shù)，將振動(dòng)造成的空間偏移控制在 10級(jí)； 在 X 射線微聚焦光束線站上發(fā)展高分辨元素掃描成像技術(shù)，利用高 精度的樣品臺(tái)定位和樣品臺(tái)移動(dòng)，以及高分辨的 X 射線熒光探測(cè)器，實(shí)現(xiàn) 100間分辨率和 10元素分布成像；在上述基礎(chǔ)上發(fā)展 100間分辨率的 譜學(xué)技術(shù)，建立納米單體與表面 /界面表征的技術(shù)平臺(tái)。 (3) 高時(shí)間分辨的同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù) 利用同步輻射脈沖光源，在 射線譜學(xué)顯微光束線站上建立亞秒級(jí)的快速 在 級(jí)這四個(gè) 光束線站現(xiàn)有控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)傳輸與裝置聯(lián)動(dòng)方式，并通過(guò)選擇合適的時(shí)間窗口與能量窗口，實(shí)現(xiàn)硅、碳納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)表征。 此外，通過(guò)自主設(shè)計(jì)建立 用同步輻射 樣品發(fā)射可見(jiàn)光，可見(jiàn)光信號(hào)經(jīng)透鏡匯聚和分光后由探測(cè)器采集并由光電倍增管放大。結(jié)合高時(shí)間分辨的 秒級(jí)）和 以研究納米發(fā)光材料的發(fā)光過(guò)程和發(fā)光起源。下圖給出高時(shí)間分辨的 ，利用穩(wěn)定的第三代同步輻射脈沖光源之間的時(shí)間窗口，運(yùn)用時(shí)間 并通過(guò)調(diào)節(jié)電信號(hào)來(lái)選擇測(cè)量時(shí)段，在選定的時(shí)間窗口內(nèi)測(cè)量樣品發(fā)光及其衰減過(guò)程，從而得到高時(shí)間分辨的 利用新型同步輻射靜態(tài)表征技術(shù)，研究納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)情況下的構(gòu)效關(guān)系 通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)參數(shù)、表面修飾、摻雜處理等實(shí)驗(yàn)手段控制硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)，研究硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)與其性能之間的關(guān)系。利用建立起來(lái)的高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度的同步輻射表征技術(shù)，研究有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的結(jié)構(gòu)與性能。 (1) 硅納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)研究 離線生長(zhǎng)硅納米線、硅量子點(diǎn)等硅納米材料，并用常規(guī) 實(shí)驗(yàn)室技術(shù)對(duì)其表面 /界面結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行初步表征； 通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)參數(shù)、表面修飾、摻雜處理等實(shí)驗(yàn)手段，調(diào)控硅納米材料的表面 /界面性質(zhì)； 利用建立起來(lái)的同步輻射靜態(tài)表征技術(shù)（ 研究硅納米線、硅量子點(diǎn)在不同尺寸、不同表面環(huán)境和修飾條件下的表面 /界面物理化學(xué)狀態(tài)、空間結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)，明確硅納米線、硅量子點(diǎn)的表面 /界面結(jié)構(gòu)對(duì)其發(fā)光和電荷傳輸性能的影響。利用 量子點(diǎn)的表面基團(tuán)結(jié)構(gòu)、化學(xué)態(tài)和電子結(jié)構(gòu)等信息，結(jié)合傳統(tǒng)的表面分析技術(shù)（如 給出硅納米結(jié)構(gòu)完整的表面信息。利用 粒度等結(jié)構(gòu)信息，利用 立硅量子點(diǎn)尺寸、表面結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)態(tài)、表面修飾等因素與其發(fā)光性能的關(guān)系。構(gòu)筑硅納米線原型器件（如 4 現(xiàn)硅納米線的電荷傳輸性能表征，并結(jié)合 界面性質(zhì)，建立硅納米線表面 /界面結(jié)構(gòu)與電荷傳輸性能的關(guān)系。 (2) 碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)研究 離線生長(zhǎng)碳納米管、石墨烯等碳納米材料，并用常規(guī)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)對(duì) 其表面 /界面結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行初步表征； 通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)參數(shù)、表面修飾、摻雜處理等實(shí)驗(yàn)手段，調(diào)控碳納米材料表面 /界面性質(zhì)； 利用建立起來(lái)的同步輻射靜態(tài)表征技術(shù)（ 上述研究硅納米線的方法，研究碳納米管、石墨烯在不同尺寸、不同表面環(huán)境和修飾條件下的表面 /界面物理化學(xué)狀態(tài)、空間結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)，明確碳納米管、石墨烯的表面 /界面結(jié)構(gòu)對(duì)其電荷傳輸性能的影響。 (3) 有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的結(jié)構(gòu)與性能研究 對(duì)離線合成的有機(jī)半導(dǎo)體納米集合體進(jìn)行分散處理，從而得到有機(jī)半導(dǎo)體納米單體； 利用在 站上建立起來(lái)的高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度的 征有機(jī)半導(dǎo)體納米單體，檢測(cè)有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的元素組分、摻雜元素分布、相組成、結(jié)晶度、化學(xué)態(tài)等；利用 單體的層次上研究有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、官能團(tuán)效應(yīng)以及這些效應(yīng)對(duì)其發(fā)光性能的影響，并歸納出有機(jī)發(fā)光納米單體中結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系； 在線改變樣品所處的測(cè)量環(huán)境條件（溫度、外場(chǎng)、氣體氛圍等），研究測(cè)量環(huán)境條件對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的發(fā)光性 能及其穩(wěn)定性的影響。 利用新型同步輻射原位、動(dòng)態(tài)表征技術(shù)，研究納米結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)效關(guān)系 運(yùn)用自主研制的同步輻射原位生長(zhǎng)和檢測(cè)裝置，在線生長(zhǎng)硅、碳納米材料。利用建立起來(lái)的高時(shí)間分辨的同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)，研究這些納米材料的成核與生長(zhǎng)機(jī)制；追蹤不同環(huán)境下這些納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)演化，及其所造成的光電性能變化。 (1) 碳納米管和硅納米線的 運(yùn)用真空氣相原位生長(zhǎng)裝置在線生長(zhǎng)碳納米管； 利用時(shí)間分辨的同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)，研究碳納米管的成核與生長(zhǎng)機(jī)制。通過(guò)快速 相組成、化學(xué)態(tài)、結(jié)晶度、顆粒度和電子結(jié)構(gòu)等參數(shù)隨時(shí)間的變化，分析碳納米管和催化劑之間的物質(zhì)與電荷交換，力求揭示碳納米管的 在上述研究基礎(chǔ)上，通過(guò)外加電場(chǎng)等手段實(shí)現(xiàn)碳納米管的定向生長(zhǎng)，利用高時(shí)間分辨的同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定向碳納米管的成核與生長(zhǎng)，力求揭示碳納米管的 利用上述方法研究硅納米線的 找到與 現(xiàn)硅納米線的可控定向生長(zhǎng)。 (2) 硅納米線的氧化物輔助生長(zhǎng)機(jī)制研究 運(yùn)用真空氣相原位生長(zhǎng)裝置，使用氧化物輔助生長(zhǎng)工藝在線生長(zhǎng)硅納米線； 利用快速同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)（ 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硅納米線的成核與生長(zhǎng)過(guò)程。通過(guò)檢測(cè) 晶度、顆粒度和電子結(jié)構(gòu)等參數(shù)隨時(shí)間的變化，探究氧在不同時(shí)間段所起的作用，力求揭示硅納米線的氧化物輔助生長(zhǎng)機(jī)制； 在上述研究基礎(chǔ)上，通過(guò)改變生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)硅納米線進(jìn)行摻雜，利用高時(shí)間分辨的同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)，監(jiān)控 求揭示摻雜硅納米線的氧化物輔 助生長(zhǎng)機(jī)制。 (3) 硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)演化研究 改變硅、碳納米材料的生長(zhǎng)條件，如改變溫度、外場(chǎng)、壓力與氣體氛圍，在生長(zhǎng)過(guò)程中誘使硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和對(duì)硅、碳納米材料的表面 /界面進(jìn)行有目的地處理和修飾，例如表面官能團(tuán)分子修飾、生物活性分子修飾等； 利用高時(shí)間分辨的同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)（ 研究硅、碳納米材料表面 /界面結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)及修飾過(guò)程中演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。通過(guò)檢測(cè)表面 /界面化學(xué)狀態(tài)、空間結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)等參數(shù)隨時(shí)間的變化，以及對(duì)應(yīng)的光電性能變化，力求明確硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)演化與性能變化之間的關(guān)系。 利用高時(shí)間分辨的同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)觀察硅、碳納米材料表面 /界面結(jié)構(gòu)及其表面修飾官能團(tuán)在外界環(huán)境條件（如溫度、壓力、不同氣氛等）改變時(shí)化學(xué)狀態(tài)、空間結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)等參數(shù)隨時(shí)間的變化，以及對(duì)應(yīng)的光電性能穩(wěn)定性，明確影響納米結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性的環(huán)境因素。 納米結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)及若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的理論研究運(yùn)用第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)模擬等理論工具，闡明同步輻射與介 觀多體系統(tǒng)相互作用的關(guān)鍵理論問(wèn)題，揭示納米材料構(gòu)效關(guān)系的微觀機(jī)理。納米結(jié)構(gòu)中的電子狀態(tài)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的局域關(guān)聯(lián)性，需要發(fā)展現(xiàn)有的第一性原理計(jì)算方法納入局域關(guān)聯(lián)與準(zhǔn)粒子態(tài)的效應(yīng)。同時(shí)，需要在理論上闡明介觀多電子關(guān)聯(lián)體系對(duì)高相干 X 射線的響應(yīng)特性，通過(guò)理論分析與數(shù)值模擬，理解新型同步輻射表征方法如何獲取納米結(jié)構(gòu)的重要信息，為本項(xiàng)目同步輻射表征技術(shù)的實(shí)驗(yàn)工作提供理論支持與指導(dǎo)，并在上海光源建立相應(yīng)的計(jì)算平臺(tái)。 (1) 納米結(jié)構(gòu)與同步輻射的相互作用機(jī)理研究 發(fā)展含時(shí)密度泛函理論，考慮內(nèi)殼層電子的效應(yīng)，通過(guò) 程計(jì)算電子 示受激納米結(jié)構(gòu)的 X 射線響應(yīng)特性的微觀機(jī)理。 基于第一性原理與多體量子理論，研究納米材料的載流子散射、聲子 子 吸收和能量擴(kuò)散等關(guān)鍵計(jì)算問(wèn)題；開(kāi)展介觀多體量子系統(tǒng)的含時(shí)演化及 X 射線響應(yīng)特性的數(shù)值模擬研究，建立針對(duì)納米結(jié)構(gòu)的 (2) 納米材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的微觀機(jī)理研究 由于量子受限效應(yīng)、表面 /界面結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)的吸附、摻雜與缺陷等諸多因素的影響，納米結(jié)構(gòu)的電子狀態(tài)會(huì)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的局域關(guān)聯(lián)性。運(yùn)用量 子模型計(jì)算，分析各種準(zhǔn)粒子狀態(tài)的存在條件及屬性特征。 發(fā)展基于 似和 正的第一性原理方法，引入電子的高階關(guān)聯(lián)與屏蔽效應(yīng)，改進(jìn)局域密度近似、廣義梯度近似帶來(lái)的帶隙計(jì)算誤差。 研究硅納米線、硅量子點(diǎn)、碳納米管、石墨烯等納米材料的電子與自旋結(jié)構(gòu)，計(jì)算其能隙、電子有效質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)。 (3) 納米結(jié)構(gòu)成核與生長(zhǎng)機(jī)制的研究 運(yùn)用基于經(jīng)驗(yàn)作用勢(shì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬，從理論上研究納米結(jié)構(gòu)成核與生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，研究溫度、外場(chǎng)、壓力等外部條件對(duì)成核與生長(zhǎng)的影響。 運(yùn)用第一性原理結(jié)合分子動(dòng)力學(xué) 模擬，從理論上研究納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)入摻雜物后的生長(zhǎng)過(guò)程，以及缺陷的產(chǎn)生與修復(fù)過(guò)程。 創(chuàng)新點(diǎn)和特色 (1) 同步輻射光源具有高強(qiáng)度、寬頻譜、相干性好的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，適合于表征信號(hào)強(qiáng)度較弱、信號(hào)分布較寬的納米結(jié)構(gòu)。此外，上海光源擁有多個(gè)表征分析手段，可以獲得從空間結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)到光電性能的全面而細(xì)致的實(shí)驗(yàn)信息。 (2) 本項(xiàng)目發(fā)展的新型同步輻射表征技術(shù)，基本上都是常規(guī)實(shí)驗(yàn)室里無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，在納米結(jié)構(gòu)的表征分析上具有常規(guī)表征技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，因此是研究納米結(jié)構(gòu)的特有手段，是對(duì)常規(guī)納米表征技術(shù)的重要補(bǔ)充和提高。 (3) 本 項(xiàng)目發(fā)展的高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度的同步輻射表征技術(shù)使有機(jī)納米單體的無(wú)損傷綜合表征成為可能。 (4) 本項(xiàng)目發(fā)展的高時(shí)間分辨的同步輻射表征技術(shù)使納米結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)、原位、動(dòng)態(tài)表征成為可能。 (5) 同步輻射實(shí)驗(yàn)研究與相關(guān)理論研究相結(jié)合，有利于深刻理解和解答納米結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。 取得重大突破的可行性分析 首先，在空間分辨方面，上海光源 可實(shí)現(xiàn) 2時(shí)光通量達(dá)到 1010秒。將 00術(shù) 上可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)光通量預(yù)計(jì)仍能保持 108光子 /秒，完全滿足本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)要求。其次，在時(shí)間分辨方面，上海光源的高強(qiáng)度脈沖光源確保了快速 間窗口和能量窗口的高度可調(diào)性也有利于完善原位、動(dòng)態(tài)的表征技術(shù)。最后，高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度、高時(shí)間分辨的新型同步輻射表征技術(shù)將為納米結(jié)構(gòu)的研究提供全新、獨(dú)特并且功能強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)手段，有望在有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的綜合表征，硅、碳納米結(jié)構(gòu)的表面 /界面表征及其成核與生長(zhǎng)機(jī)制等課題上取得重大突破。這些研究將大大提高人們對(duì)納米世界的認(rèn)識(shí)，為納米科學(xué)技術(shù)的應(yīng) 用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 項(xiàng)目組織形式 項(xiàng)目實(shí)行首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制，成立以首席科學(xué)家為組長(zhǎng)的項(xiàng)目執(zhí)行小組，把握學(xué)術(shù)方向，協(xié)調(diào)解決有關(guān)問(wèn)題，推進(jìn)項(xiàng)目順利實(shí)施；同時(shí)成立戰(zhàn)略研究小組，瞄準(zhǔn)國(guó)際最新研究前沿，為總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供信息指導(dǎo)；定期開(kāi)會(huì)討論，交流思想心得，實(shí)行資源共享；與國(guó)際上的其它同步輻射光源合作，促進(jìn)項(xiàng)目的順利進(jìn)行；成立資深顧問(wèn)組，聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)外資深專(zhuān)家作為項(xiàng)目顧問(wèn)，對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)展提出指導(dǎo)意見(jiàn)。 課題設(shè)置思路 本項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)研究為主，實(shí)驗(yàn)研究與理論研究并行，發(fā)展針對(duì)納米結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)，發(fā)展高空間分 辨、高能量分辨、高靈敏度與高時(shí)間分辨的表征手段；利用建立起來(lái)的新型同步輻射表征技術(shù)，針對(duì)具有重要應(yīng)用潛力和研究?jī)r(jià)值的有機(jī)半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)、硅納米結(jié)構(gòu)與碳納米結(jié)構(gòu)，研究這些納米結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，力求揭示納米科學(xué)中一些懸而未決的難題；同時(shí)進(jìn)行的相關(guān)理論研究將為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)與支持。基于以上考慮，建議設(shè)置以下四個(gè)研究課題： 課題 1. 納米結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)的研究 課題 2. 基于同步輻射靜態(tài)表征技術(shù)的若干納米材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究 課題 3. 基于同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)的若干納米材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究 課題 4. 基于同步輻射表征技術(shù)的若干納米材料構(gòu)效關(guān)系的理論研究 課題間的有機(jī)聯(lián)系 以上課題相互依存，具有表征方法的建立（課題 1） 表征方法的應(yīng)用（課題2、 3） 表征方法的理論（課題 4）這樣一個(gè)邏輯順序。課題 1研究本項(xiàng)目所依賴(lài)的研究手段，將發(fā)展高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度與高時(shí)間分辨的新型同步輻射表征技術(shù)，這是課題 2、 3的前提和基礎(chǔ)，只有在課題 1的基礎(chǔ)上，才能完成課題 2、 3的研究目標(biāo)；而課題 2、 3的研究結(jié)果反過(guò)來(lái)將為課題 1的研究工作提供重要的反饋信息。課題 2研究納米結(jié)構(gòu)的靜態(tài)表征，將充分利用課題 1發(fā)展的高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度的同步輻射表征技術(shù)。課題 3研究納米結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)表征，將充分利用課題 1發(fā)展的高時(shí)間分辨的同步輻射表征技術(shù)。課題 2、 3之間又是相互補(bǔ)充和借鑒的，其研究成果將共同揭示出納米材料完整而細(xì)致的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的信息。因此，課題 2、 3既是課題 1的導(dǎo)向，又是課題 1的應(yīng)用，課題 1的重要性也將充分體現(xiàn)在課題 2、 3的研究成果中。課題 1、 2、 3為實(shí)驗(yàn)研究，而課題 4貫穿課題 1、 2、 3，是并行的相關(guān)理論研究。課題 4為課題 1提供理論依據(jù)，確保課題 1的可行性；同時(shí)課題 4為課題 2、 3提供理論解釋與指導(dǎo)， 將推進(jìn)課題 2、3的研究工作。 課題 1 ： 納米結(jié)構(gòu)的新型同步輻射表征技術(shù)的研究 研究目標(biāo)： 針對(duì)納米結(jié)構(gòu)研究，在上海光源的現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高同步輻射表征技術(shù)的空間與時(shí)間分辨能力，空間分辨能力達(dá)到 100采譜時(shí)間縮短至亞秒級(jí)， 時(shí)間分辨能力達(dá)到納秒級(jí)。實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)、原位與動(dòng)態(tài)表征。 研究?jī)?nèi)容： (1) 研制納米結(jié)構(gòu)的同步輻射原位生長(zhǎng)和檢測(cè)裝置 在上海光源研制真空氣相原位生長(zhǎng)和測(cè)量環(huán)境可變的檢測(cè)裝置； 在上海光源研制液相原位生長(zhǎng)和檢測(cè)裝置。 (2) 發(fā)展高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度的同步輻射表征技術(shù) 將 X 射線微聚焦光束線站的微米級(jí)聚焦光斑進(jìn)一步聚焦到亞微米量級(jí)； 將溫度變化、振動(dòng)干擾造成的樣品相對(duì)于 X 射線光束的空間飄移控制在 10級(jí)； 在 能量分辨、高靈敏度的元素掃描成像技術(shù)，以及 用高精度的樣品臺(tái)定位和樣品臺(tái)移動(dòng)，以及高分辨的 現(xiàn) 1000上述基礎(chǔ)上搭建針對(duì)納米單體的綜合表征 平臺(tái)。 (3) 發(fā)展高時(shí)間分辨的同步輻射表征技術(shù) 在 射線譜學(xué)顯微光束線站上發(fā)展亞秒級(jí)的快速 在 在 在多個(gè)光束線站上發(fā)展納秒級(jí)時(shí)間分辨的 經(jīng)費(fèi)比例： 30% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 徐洪杰 學(xué)術(shù)骨干： 余笑寒、姜政、李曉龍、鄭麗芳、吳衍青、羅震林 課題 2 ： 基于同步輻射靜態(tài)表征技術(shù)的 若干納米材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的研究 研究目標(biāo)： 揭示上述納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形貌、缺陷、摻雜等因素對(duì)其光電性能及表面性質(zhì)的影響；揭示有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。 研究?jī)?nèi)容： 利用高空間分辨、高能量分辨、高靈敏度的同步輻射表征技術(shù)，研究硅、碳納米結(jié)構(gòu)的表面 /界面結(jié)構(gòu)與其光電性能的關(guān)系，研究這些納米結(jié)構(gòu)的量子效應(yīng)、表面效應(yīng)對(duì)其光電性能及表面活性的影響；研究有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的結(jié)構(gòu)與性能，檢測(cè)有機(jī)半導(dǎo)體納米單體的元素組分、摻雜元素分布、相組成、結(jié)晶度、化學(xué)態(tài)和光學(xué)性能等，在單體的層次上研究其微觀結(jié)構(gòu)與 宏觀性能之間的關(guān)系。 經(jīng)費(fèi)比例： 28% 承擔(dān)單位： 蘇州大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 課題負(fù)責(zé)人： 孫旭輝 學(xué)術(shù)骨干： 路建美、付紹云、李 嫕 、李艷青、李有勇、歐雪梅 課題 3 ： 基于同步輻射動(dòng)態(tài)表征技術(shù)的若干納米材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的研究 研究目標(biāo)： 揭示碳納米管和硅納米線的 明硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)演化與其光電性能變化之間的關(guān)系，理解這些納米結(jié)構(gòu)的性能穩(wěn)定性機(jī)制。 研究?jī)?nèi)容： 利用高時(shí)間分辨的同步輻射表征技術(shù)以及自主研制的納米結(jié)構(gòu)原位生長(zhǎng)和檢測(cè) 裝置，研究碳納米管和硅納米線的 究硅納米線的氧化物輔助生長(zhǎng)機(jī)制；研究硅、碳納米結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的表面 /界面結(jié)構(gòu)演化以及相應(yīng)的光電性能變化；以上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為基礎(chǔ)，研究硅、碳納米材料的可控生長(zhǎng)，研究通過(guò)控制硅、碳納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)對(duì)其光電性能進(jìn)行有效調(diào)控。 經(jīng)費(fèi)比例： 28% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所、蘇州大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 周興泰 學(xué)術(shù)骨干： 朱秀林、吳國(guó)忠、王穗東、孫寶全、張秀娟、楊樹(shù)敏 課題 4 ： 基于同步輻射表征技術(shù)的若干納米材料構(gòu)效關(guān)系的理論研究 研究目標(biāo)： 闡明新型同步輻射表征技術(shù)的工作原理，理解新型同步輻射表征方法如何獲取納米結(jié)構(gòu)的重要信息；從理論上闡明納米材料的表面 /界面結(jié)構(gòu)與其性能之間的關(guān)系，以及給出納米結(jié)構(gòu)成核與生長(zhǎng)的理論解釋。 研究?jī)?nèi)容： 利用第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)模擬等先進(jìn)理論工具和大規(guī)模數(shù)值模擬方法，研究硅、碳及有機(jī)半導(dǎo)體納米材料的結(jié)構(gòu)與其光電性能關(guān)系的微觀機(jī)理；研究這些納米材料對(duì)相干 X 射線的響應(yīng)特性，研究受激納米材料的結(jié)構(gòu)、電子及自旋狀態(tài)的含時(shí)演化及 X 射線譜學(xué)特征；從理論上研究納米材料在吸附官能團(tuán)、導(dǎo)入摻雜與缺陷等條件下的性能變化，理論 預(yù)測(cè)具有特殊光電性能的新型納米結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)；從理論上研究納米結(jié)構(gòu)成核與生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，研究溫度、外場(chǎng)、壓力等外部條件對(duì)成核與生長(zhǎng)的影響。 經(jīng)費(fèi)比例： 14% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 課題負(fù)責(zé)人： 李良彬 學(xué)術(shù)骨干： 梁好均、懷平、韓聚廣、宋波 四、年度計(jì)劃 年 度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1) 設(shè)計(jì) 真空氣相 究基于軟 究快速 方法。 2) 研究硅量子點(diǎn)的控制合成及表面修飾和硅納米線的可控制備和修飾；利用傳統(tǒng)納米表征技術(shù)（ 得以上納米材料的形貌、結(jié)構(gòu)、組成、表面結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能等綜合信息，利用新型同步輻射譜學(xué)技術(shù)（ 系統(tǒng)表征這些納米材料的電子結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)，晶相結(jié)構(gòu)等。 3) 研究快速 現(xiàn)有的 究設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高掃描和數(shù)據(jù)采集速度的方案；研究快速的研究在上海光源現(xiàn)有線站建立 展 4) 結(jié)合第一性原理計(jì)算和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，模擬和預(yù)測(cè)碳、硅、有機(jī)和生物分子構(gòu)成的納米材料在靜態(tài)下的微相結(jié)構(gòu)。 1) 完成真空氣相 成全電子產(chǎn)額實(shí)驗(yàn)方法建立，開(kāi)展初步的成硬 成改善光束穩(wěn)定性方案設(shè)計(jì)；完成快速 成 2) 實(shí)現(xiàn)硅量子點(diǎn)、硅 納米線 表面功能化修飾，利用傳統(tǒng)納米表征技術(shù)和現(xiàn)階段上海光源同步輻射表征技術(shù)對(duì)硅、碳納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合 表征。 3) 利用傳統(tǒng)納米表征技術(shù)對(duì)硅、碳納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的綜合表征。 4) 理解在納米微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中各類(lèi)非健合分子間弱相互作用的彼此制約、競(jìng)爭(zhēng)和納米微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中所伴隨的熵 究納米結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)納米結(jié)構(gòu)的物性關(guān)系和影響。 5) 完成年度報(bào)告，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文 20請(qǐng)專(zhuān)利 2 1) 完成真空氣相 ) 完成真空氣相 二 年 置的加工、安裝、測(cè)試，真空氣相 ；將納米尺度軟 立納米結(jié)構(gòu)單體和表面結(jié)構(gòu)的表征方法；完成快速 驗(yàn)設(shè)備安裝、調(diào)試和初步實(shí)驗(yàn)，快速 2) 利用 征硅量子點(diǎn)和硅納米線的發(fā)光性能，探明發(fā)光中心和發(fā)光起源；研究納米結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)（量子效應(yīng)）以及對(duì)其光電性能的影響；研究碳納米管的表面改性和生物、化學(xué)修飾和有機(jī)納米單體的可控合成。 3) 開(kāi)始開(kāi)展硅納米線和碳 納米管的氣相在線生長(zhǎng)研究。 4) 進(jìn)一 步向納米結(jié)構(gòu)引入外場(chǎng)，研究外場(chǎng)調(diào)控下的納米微機(jī)構(gòu)形成機(jī)理。 測(cè)裝置的研制，開(kāi)始初步的原位生長(zhǎng)、表征實(shí)驗(yàn)；建立基于軟 始初步應(yīng)用。硬 束穩(wěn)定性明顯改善；初步建立快速 間分辨達(dá)到秒級(jí)；完成快速 成步完成納秒時(shí)間分辨 2) 明確硅納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光中心和發(fā)光起源；實(shí)現(xiàn)對(duì)碳納米管的表面修飾和對(duì)有機(jī)納米單體的可控合成及 對(duì)其尺寸、形貌、官能團(tuán)的選擇和調(diào)控 。 3) 通過(guò)觀察外場(chǎng)（溫度、壓力、電場(chǎng)及剪切場(chǎng)等）調(diào)控下的納米微結(jié)構(gòu)形成動(dòng)力學(xué)過(guò)程，研究納米微結(jié)構(gòu)形成的成核和生長(zhǎng)微觀機(jī)理，以及外電場(chǎng)對(duì)納米結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)影響。 4) 完成年度報(bào)告，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文 20請(qǐng)專(zhuān)利 2 第 三 年 1) 完善 真空氣相 上海光源多個(gè)線站上開(kāi)展在線實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)和加工液相原位生長(zhǎng)和檢測(cè)裝置；開(kāi)展硬 一步縮小聚焦光斑尺寸；研究并完善快速 立納 米結(jié)構(gòu)原位動(dòng)態(tài) 制集成快速 2) 測(cè)量硅納米線和碳納米管的電學(xué)傳輸性質(zhì)，研究納米結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)以及對(duì)其電學(xué)性能的影響。 3) 研究硅納米線、硅納米點(diǎn)、碳納米管、石墨烯表面化學(xué)修飾與處理的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；在線原位生長(zhǎng)石墨烯，并對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程中的同步輻射實(shí)時(shí)表征進(jìn)行初步測(cè)試。 4) 采用第一性原理研究納米材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的微觀機(jī)制，研究納米材料的基態(tài)自旋與電子結(jié)構(gòu)，計(jì)算決定納米結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵參數(shù)。 1) 建立適用于上海光源多個(gè)線站的納米結(jié)構(gòu)真空氣相 射線 納米束掃描 100納米尺度 )成分的高靈敏表征手段；建立亞秒級(jí)時(shí)間分辨的納米結(jié)構(gòu)原位動(dòng)態(tài)步建立快速間分辨達(dá)到秒級(jí)；初步完成納秒時(shí)間分辨 2) 實(shí)現(xiàn)對(duì)硅、碳納米結(jié)構(gòu)電學(xué)傳輸性質(zhì)表