自组织生长纳米半导体量子点的研究进展

纳米半导体量子点以其所具有的新颖光电性质与输运特性 ,正在成为量子功能器件研究中的一个热点领域 .作为纳米量子点的制备方法 ,自组织生长技术正在受到人们的普遍重视 .而如何实现具有尺寸与密度可控纳米量子点的自组织生长 ,更为材料物理学家所广泛关注 .因为这是由自组织方法形成的纳米量子点最终能否实现器件实用化的关键 .本文将以纳米量子点→自组织生长→形成机理→尺寸与密度可控为主线 ,简要介绍近 1 0年来纳米量子点自组织生长技术的研究进展 .     

纳米生物效应与安全性研究展望

当物质达到纳米尺度时,会具有一些特殊的物理化学性质,如量子尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应等.即使化学组成相同,纳米物质的生物学效应也可能不同于微米尺寸以上的常规物质.因此,根据常规宏观物质研究所得到的生物学效应与安全性评价结果,可能并不适用于纳米物质.自2003年Science发表文章关注纳米生物效应与毒理学效应之后,各国政府先后启动了对纳米生物效应的研究,并且支持力度不断增加.我国是世界上较早开展纳米生物效应与安全性研究的国家之一,研究工作在国际上产生了重要影响.国家纳米科学中心与中国科学院高能物理研究所共同建立的"中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室",作为我国第一个也是国际上少有的以纳米材料生物效应与安全性为研究方向的专业实验室,在了解纳米材料的基本性质-活性关系的基础上,对更深层次的理化效应展开了深入的研究,并建立了适用于纳米生物效应与安全性评价的多层次模型,发展了高灵敏、高分辨率的适用于纳米生物效应和安全性评价的实验技术和研究方法,为保证纳米科技的可持续发展做出了重要的贡献.本文综述了本实验室近年来在纳米生物效应与安全性领域的研究进展.     

Mn~(2+)离子掺杂的纳米尺寸ZnS半导体超微粒的制备和光学性质

近年来纳米尺寸半导体超微粒的合成和光学性质研究引起了人们广泛的关注,并迅速发展成非常活跃的研究领域.各种半导体(如Ⅱ～Ⅵ族的CdS,ZnS,Ⅲ～Ⅴ族的GaP,GaAs等)超微粒被制备在聚合物、有机溶液和玻璃等介质中.伴随着微粒尺寸的减小,显著的量子尺寸效应和由之引起的各种光学性质变化在这些材料中得到了系统的研究,量子尺寸效应和各种非线性响应增强机制的理论和实验工作也日趋完善.但是,这些工作仅限于研究半     

量子反常霍尔效应研究进展

量子反常霍尔效应是一种不需要外加磁场的量子霍尔效应.它不但为手征量子霍尔态的理解和应用提供了一个理想的研究平台,还可以用于构建多种新奇拓扑量子物态.本文回顾了近年来量子反常霍尔效应实验方面的研究进展,包括对磁性掺杂拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应相关机理的深入研究、基于量子反常霍尔绝缘体的各种异质结构的制备及性质研究,以及可能具有更高工作温度的量子反常霍尔效应材料体系的探索等.这些研究进展对量子反常霍尔效应的未来发展方向和凝聚态物理的发展具有重要的启示作用.     

首次测量人造原子与天然原子之间的键

正当量子围栏和原子力显微镜(AFM)探针尖头的原子形成键时,微观和介观尺度相遇。德国科学家发现,量子围栏(可用作人造原子的合成圆圈形纳米结构)能与位于原子力显微镜探针尖上的原子形成非常弱的化学键。德国雷根斯堡大学物理系教授、领导此项研究的弗朗茨·吉西布尔(Franz Giessibl)表示:"这是我们第一次通过实验验证由这种人造原子形成的化学键。"与天然原子一样,人造原子具有固定数量的离散电子态电子。1993年,一个美国科研团队第一次向世界展示他们的量子围栏——由放置于铜表面的48个铁原子组成的圆圈。     

金属纳米团簇的超分子自组装及其应用

金属纳米团簇(NCs)是由几个至几千个金属原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的聚集体,其物理和化学性质具有量子尺寸依赖性.金属簇的尺寸可与电子的Ferimi波长相当,一般小于3 nm,具有异于对应体相块材的物化性质,如光学、电学、磁学、催化、手性等.基于自组装策略,将金属簇与不同类型的分子材料组装,不但可以实现金属簇的聚集诱导发光,而且还可以实现多功能的协调.结合本课题组的研究工作,本文综述了近期国内外相关研究,详细介绍了自组装对金属簇发光、组装结构的影响及金属簇组装体的应用等方面的研究进展.最后对金属簇的未来挑战和发展前景进行了展望.     

水的核量子效应研究进展

"水的结构是什么"这是Science杂志在创刊125周年的特刊中提出的21世纪125个亟待解决的科学前沿问题之一.水的结构之所以如此复杂,其中一个很重要的原因就是源于水分子之间的氢键相互作用.人们通常认为氢键的本质为经典的静电相互作用,然而由于氢原子核质量很小,其量子效应在室温下都会非常明显,氢核的量子隧穿和量子涨落将减弱经典势垒对氢原子的限制,从而增强或减弱氢键相互作用强度,改变氢键网络构型,甚至影响氢键体系的宏观物性.该综述首先概述了核量子效应的起因和表现,然后介绍核量子效应研究的传统实验手段,以及新兴的基于扫描隧道显微镜和非接触式原子力显微镜的高分辨成像和谱学技术.然后,本文总结了水中氢核量子隧穿和量子涨落的最新研究进展,尤其是深入到原子尺度的核量子效应研究,最后对核量子效应研究所面临的问题和挑战以及未来发展方向进行评述.     

表面主客体复合自组装纳米结构的STM 研究

基于自组装的基本原理, 以“自下而上”的方式在表面构筑主客体复合纳米结构是纳 米科学与技术研究的重要内容之一, 并在单分子科学和纳米电子学等领域具有重要意义. 扫描隧道显微镜(STM)以其原位、实时、实空间和原子级分辨的优点, 在主客体复合体系 表面自组装的研究中发挥了不可替代的作用. 在表面组装中, 主客体分子之间有多种不同 的复合模式, 最常见的是客体分子填充于由主体分子构成的含有空腔的二维骨架结构, 空 腔的大小和对称性由主体分子的结构调节, 客体分子通过尺寸匹配等效应填充; 客体分子 能够沿着主体分子形成的单层结构外延生长, 在主体分子层上面形成第二层客体结构; 此 外, 主体分子形成的组装结构能够根据客体分子的尺寸和形状做出相应的改变来适应不同 的客体分子, 进一步丰富了主客体复合结构的内涵. 本文以主客体分子之间的复合方式为 主线介绍固体表面构筑主客体复合纳米结构的最新进展.     

纳米硅粉末的制备及红外吸收光谱研究

纳米硅和多孔硅发光的发现,引起了人们对纳米级半导体材料研究的重视.对这种现象的解释主要归结为以下两点:一是因颗粒尺寸小而引起能带结构的变化,导致跃迁选择定则改变引起发光,即所谓量子尺寸效应;二是在硅小颗粒表面的氢、氧等杂质与硅化合形成缺陷,悬键所引起发光。目前对这两种解释尚无定论。对于后者,弄清楚纳米硅中氢、氧的存在方式与结构的关系对研究纳米硅的发光机理有很重要的意义。红外吸收光谱作为探测硅中的氢、氧等的手段已进行了很多的研究。本文利用激光诱导化学气相沉积法(LICVD)用SiH_4为原料制备了平均粒度为10～12nm的晶态纳米硅粉。并通过红外吸收光谱对纳米硅粉末中的氢和表面氧化所引起的氧的存在情况进行了分析。发现纳米硅粉末由于表面原子活性大,有氧化现象,在其中存在(H_2-Si)。原于团和HSiO两种类型的硅氢结构。前者是一种不稳定结构,退火温度达到600℃时分解,在红外谱上的吸收峰消失;后者是一种稳定结构,随退火温度的升高,氧含量的增多,向高波数方向移动。这主要是由于氧的电负性对H-Si的影响形成的。     

扫描隧道显微镜诱导发光的历史和进展

扫描隧道显微镜(STM)不仅可以用来观察和操纵纳米世界的一个个原子和分子, 而且其高度局域化的隧穿电流还可以用来激发隧道结发光, 能提供隧道结微腔内与各种激发及其衰变有关的局域电磁场响应和跃迁本质等信息. 这种利用STM隧穿电流的激发来研究隧道结发光特性的技术称为STM诱导发光技术(STML). 本文较为详细地介绍了该领域的研究历史、现状与发展趋势. 在简要介绍光子收集与检测等实验技术后, 概述了这一领域在金属和半导体表面方面的主要研究内容, 并针对目前广泛关注的隧道结分子发光进行了详细的阐述. 最后还简单介绍了STM诱导发光机制的理论研究, 并对整个领域的发展进行了展望, 特别是STM诱导分子发光技术对于研究单分子科学、单分子光电子学、以及纳米等离激元学的广阔前景.     

纳米量子器件研究的若干前沿问题

纳米量子器件是目前纳米物理学与纳米电子学领域中最重要的研究方向。人们预测，该领域中的任何一项具有实质意义的突破性进展，都极有可能在全球范围内触发一场新的信息技术革命。所调纳米量子器件，是指基于各种量子力学现象，如量子尺寸效应、量子隧穿效应、库仑阻塞效应、光学非线性效应以及量子信息处理等设计并制作的固态纳米电子器件、光电子器件、集成电路乃至量子计算机等。本将着重介绍目前纳米量子器件研究中的若干活跃前沿以及我们应采取的对策。     

Ru(0001)表面石墨烯的外延生长及其担载纳米金属催化剂的研究

采用室温下吸附乙烯结合高温退火的方法在Ru(0001)表面上制备了单层石墨烯结构. 利用扫描隧道显微镜(STM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)研究了石墨烯的生长过程以及石墨烯的表面形貌和结构. 以单层石墨烯为模板, 制备了尺寸和空间分布比较均一的Pt纳米团簇.     

四探针扫描隧道显微镜

据国家自然科学基金委员会2006年8月18日报道，中科院物理所高鸿钧小组自行设计与研制了可原位生长、构造和研究介观体系的电、光、力学特性的分子束外延一四探针扫描隧道显微镜（MBE-4P—STM）联合系统，在国际上独具特色。该系统可在超高真空环境下制备与构造纳米体系，可用扫描隧道显微镜对其表面电子结构进行表征．用四探针方法研究电子输运性质，同时可研究纳米结构的光学特性，为系统地研究介观小尺度体系的物理、化学性质提供了强有力的工具，目前初步取得了一些有意义的研究结果。     

量子尺寸效应导致的金属薄膜材料的奇异超导性质

我们在硅衬底上制备出了厚度在原子尺度上可控、宏观尺度上均匀的铅薄膜。我们观察到了随着厚度一个原子层一个原子层增加时薄膜超导转变温度的振荡现象。我们证明,这种振荡行为是量子尺寸效应的结果。在这种薄膜中,电子德布罗意波的干涉行为类同于光的法布里-玻罗干涉,会导致量子阱态的形成。量子阱态的形成改变了费米能级附近的电子态密度和电声子耦合强度,从而最后导致了超导转变温度的变化。我们的工作表明:通过精确控制这种厚度敏感的量子尺寸效应,可以调制材料的物理和化学性质。量子尺寸效应导致的金属薄膜材料的奇异超导性质@张…     

量子点中的界面极化子和多孔硅发光现象

量子点中的极化子效应是当前量子点研究中的重要问题，其特征急需了解，提出了量子点中量子限域极化子的概念，可能性和能量随尺寸的变化规律，指明本征声子和外来声子都可能对其形成有贡献，利用此模型分析了多孔硅体系中的光谱特征。发现表面覆有氧化层的纳米硅的行为十分符合量子限域极化子的特征。     

分散有ZnS:Mn2+纳米微粒的玻璃的制备和光学性质

近年来半导体纳米微粒的光物理性质引起了人们越来越大的研究兴趣。半导体微晶随着其尺寸的变小能够表现出光物理性质上的量子尺寸效应。以往人们研究涉及较多的是半导体微晶的本征特性及其与周围介质的作用。自从Bhargava等报道了化学反应合成的ZnS:Mn~(2+)纳米微粒的光学性质,掺杂半导体纳米微粒发光性质的研究受到了极大的重视。掺杂纳米微粒有可能成为新的一类发光材料。     

1,3,2-Dioxaborine衍生物在石墨表面的二维自组装结构

利用扫描隧道显微镜研究了两个1,3,2-dioxaborine (DOB)类衍生物在高定向裂解石墨(HOPG)表面的自组装行为. 研究的分子中均含有共轭π体系, 分子末端由于苯环的排斥作用为立体结构. 实验研究了对称性及取代基团数目对自组装结构的影响. 结果表明, 在甲苯溶剂中制备的这些自组装结构为长程有序结构, 分子间的偶极作用以及空间位阻效应是影响自组装的主要因素.     

影响纳米材料毒性的关键因素

随着纳米技术的发展,越来越多的纳米产品开始进入人们的日常生活,纳米材料的毒性因此成为人们日渐关注的问题.近年来,纳米材料毒性的研究取得了很大进展,包括体内和体外实验研究纳米材料与生物大分子、细胞、器官和组织的相互作用以及其引起的毒性.纳米材料通过诱导氧化应激和炎症反应等机制产生一系列毒性效应.纳米材料本身的物理化学性质对其毒性有决定性的影响,这些性质包括尺寸、形状、表面电荷、化学组成、表面修饰、金属杂质、团聚与分散性、降解性能以及"蛋白冠"的形成.阐明物化性质对纳米材料毒性的影响,对于纳米材料的合理设计和安全应用具有重要的意义.本文对影响纳米材料毒性的关键因素进行了总结和分析,对近年来纳米材料毒性效应的研究进展进行了综述.     

红条毛肤石鳖齿舌牙齿内的纳米磁性矿物质

生物矿化是自然界常见的生物现象，而石鳖齿舌是磁性生物矿化研究中极其有意义的研究对象之一。利用高分辨透射电子显微镜、扫描电子显微镜、磁力显微镜以及超导量子磁强计磁测量装置，从磁学的角度探讨了红条毛肤石鳖齿舌成熟的主要横向牙齿内的纳米磁性矿物质的成分、结构分布与易磁化方向、磁畴结构的关系，旨在为理解磁性生物矿化齿舌的生物功能提供依据。     

金钯不对称纳米结构合成及其表面增强拉曼光谱

金钯双金属纳米结构由于独特的光学-催化协同耦合性质而受到广泛关注,在太阳能转化存储、多相催化、光电器件、生物成像、医学诊疗等领域展现出重要的应用价值.但具有协同性质的金钯纳米材料的合成制备仍然面临巨大挑战.本研究发展了溶液和固体表面上制备金钯纳米结构的两种方式.在金纳米棒种子溶液中,通过调控铜离子的浓度,制备了具有不对称钯分布的金钯凹角长方体和哑铃型纳米结构.研究揭示铜离子可以竞争吸附到金纳米棒表面,调控钯沉积到金棒表面的界面能,诱导钯在金棒表面的成核生长逐渐由外延生长向不连续分散生长模型转换,最终实现了金钯不对称纳米结构的制备.在固体表面介导的合成中,以固体表面支持的自组装金八面体单层为种子,通过控制生长溶液中的钯含量,制备了一系列不同钯负载量的金钯纳米结构.实验揭示由于固体表面的位阻效应,钯优先在背离固体基底的金八面体表面上成核生长,因此制备的金钯纳米结构具有不对称性.通过不同钯负载量下金钯纳米结构表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)的研究,获得了具有最优SERS性能的金钯异质组装基底结构,并实现了该基底催化对硝基苯硫酚加氢反应过程的原位SERS监测.预期本研究发展的金钯不对称纳米结构合成方法将在多相催化等领域发挥重要作用.