基于掃描探針技術(shù)的納米表征新方法研究

1、項(xiàng)目名稱：基于掃描探針技術(shù)的納米表征新方法研究首席科學(xué)家：白雪冬 中國(guó)科學(xué)院物理研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部門：中國(guó)科學(xué)院一、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目發(fā)展和利用掃描探針技術(shù)，研制高時(shí)空分辨、原位動(dòng)態(tài)的納米表征儀器，建立納米表征的新原理和新方法；并利用開(kāi)發(fā)的納米表征技術(shù)，研究前沿科學(xué)問(wèn)題。擬解決的關(guān)鍵表征技術(shù)、科學(xué)問(wèn)題和主要研究?jī)?nèi)容有：1、 發(fā)展原子尺度表面電子態(tài)表征技術(shù)1） 發(fā)展afm 的qplus 技術(shù)，解決qplus 技術(shù)發(fā)展中遇到的問(wèn)題，包括（1）降低qplus 實(shí)驗(yàn)中電流和力信號(hào)間的串?dāng)_問(wèn)題；（2）低噪聲qplus 信號(hào)的測(cè)量；和（3）qplus 傳感器的實(shí)驗(yàn)參

2、數(shù)標(biāo)定問(wèn)題等。運(yùn)用qplus 技術(shù)實(shí)現(xiàn)短程化學(xué)的測(cè)量，表征表面電荷分布和電子結(jié)構(gòu)特征，定量化研究表面吸附原子分子與afm 針尖間的物理和化學(xué)作用力特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面吸附原子分子與基底間電荷轉(zhuǎn)移、以及原子分子吸附物在表面擴(kuò)散能壘的測(cè)量，揭示電荷傳輸與轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。2） 開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)諧振調(diào)頻/調(diào)相afm 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二次諧波成像，獲得afm 原子像，并利用它進(jìn)行多體系的納米力學(xué)測(cè)量；發(fā)展導(dǎo)電afm 技術(shù)，測(cè)量表面/界面局域電輸運(yùn)性質(zhì)。2、 發(fā)展空間分辨表面激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程表征技術(shù)發(fā)展超低溫超快激光耦合stm 技術(shù)，結(jié)合超快激光的時(shí)間分辨與stm 的空間分辨，實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間上的高分辨探測(cè)和操縱手段；研究

3、單個(gè)納米結(jié)構(gòu)受激充放電過(guò)程及由此引起的吸附構(gòu)型和形貌的變化；在皮秒-納秒時(shí)間尺度上探測(cè)激發(fā)態(tài)時(shí)間響應(yīng)過(guò)程，研究納米體系光激發(fā)及相關(guān)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。3、 研發(fā)單個(gè)納米結(jié)構(gòu)單元性質(zhì)-結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系表征技術(shù)開(kāi)發(fā)高分辨透射電鏡中掃描探針技術(shù)，研制透射電鏡原位光電測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原位微區(qū)光學(xué)測(cè)量（包括陰極發(fā)光、電致發(fā)光和光致發(fā)光）、電學(xué)測(cè)量、光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)測(cè)量和探針操縱功能；研制光-機(jī)-電一體化掃描探針，提高信號(hào)的收集效率，增加檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，在原子結(jié)構(gòu)分辨的條件下實(shí)現(xiàn)納米材料的多物性測(cè)量；表征界面離子傳輸、界面電化學(xué)和光電化學(xué)的微觀過(guò)程。4、 發(fā)展納米尺度物性與多場(chǎng)耦合性質(zhì)測(cè)量技術(shù)在納尺度光電高分辨測(cè)量方面，研

4、制低溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡與高分辨光電流譜的聯(lián)合系統(tǒng)。一要突破光的衍射極限，二要提高對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)能力。對(duì)于利用有孔徑探針的snom，提高光的透射率和提高探針系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于無(wú)孔徑金屬探針而言，關(guān)鍵問(wèn)題是金屬探針的表面等離子體共振增強(qiáng)機(jī)理、增強(qiáng)型金屬探針的設(shè)計(jì)、以及探針與激發(fā)光和探針定位下的納米結(jié)構(gòu)的相互作用；在納尺度熱、電、聲測(cè)量方面，建立納米尺度熱學(xué)-聲學(xué)原位定量表征技術(shù)，開(kāi)展納米材料亞表面結(jié)構(gòu)顯微成像及微區(qū)彈性、熱學(xué)特性的高分辨率聲學(xué)、熱學(xué)顯微成像，研究近場(chǎng)聲學(xué)、熱學(xué)顯微成像機(jī)制，原位實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)電場(chǎng)、溫場(chǎng)等外場(chǎng)下納米材料電子態(tài)所誘導(dǎo)的載流子輸運(yùn)行為，揭示微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化機(jī)制及其相互作用的影

5、響規(guī)律，闡明納米尺度結(jié)構(gòu)變異與納米尺度功能響應(yīng)之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)；在納米尺度磁、電、力、光耦合性質(zhì)測(cè)量方面，設(shè)計(jì)制作一套可同時(shí)施加磁場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力、光的變溫測(cè)量探針臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多鐵納米材料光、機(jī)、電、磁、應(yīng)力、溫度等多場(chǎng)耦合性質(zhì)的測(cè)量。5、探索納米表征的新原理和新方法結(jié)合量子力學(xué)和經(jīng)典理論計(jì)算，系統(tǒng)研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)等引起的性質(zhì)、現(xiàn)象和過(guò)程，探索適合納米材料物性測(cè)量新原理和新方法。二、預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目的總體目標(biāo)是，從納米材料最基本的電子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的探測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，綜合分析原位外場(chǎng)下高時(shí)空分辨的性質(zhì)、現(xiàn)象和過(guò)程的表征結(jié)果，建立納米表征原理和方法模

6、型，并自主研發(fā)相應(yīng)的高分辨表征測(cè)量技術(shù)和儀器設(shè)備，做出重要的原始創(chuàng)新性成果，取得有國(guó)際影響的重大突破，提升我國(guó)在高精尖納米分析測(cè)試儀器設(shè)備制造方面的能力和水平，并提升我國(guó)自主創(chuàng)新和自主開(kāi)發(fā)核心技術(shù)的能力，為我國(guó)納米科技的發(fā)展提供可持續(xù)的技術(shù)支持。同時(shí)，希望通過(guò)組織這一項(xiàng)目，凝聚在掃描探針技術(shù)和納米研究領(lǐng)域的重要研究力量和技術(shù)儲(chǔ)備，達(dá)成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，互通有無(wú)。鍛煉出一支高水平且有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的研究隊(duì)伍，培養(yǎng)優(yōu)秀的且具有國(guó)際水準(zhǔn)的學(xué)術(shù)帶頭人，并培養(yǎng)優(yōu)秀的研究生和博士后，充實(shí)我國(guó)納米科技的研究隊(duì)伍和納米科技產(chǎn)業(yè)化的專業(yè)隊(duì)伍。五年預(yù)期目標(biāo)如下：1、發(fā)展先進(jìn)的納米表征技術(shù)1）先進(jìn)原子力顯微鏡技術(shù)完成動(dòng)態(tài)諧振調(diào)

7、相模式afm 的設(shè)計(jì)制作，實(shí)現(xiàn)多次諧波成像，獲得原子分辨像，測(cè)量納尺度下的各種短程力和長(zhǎng)程力；發(fā)展并運(yùn)用qplus 技術(shù)，在原子尺度表征表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，測(cè)量短程化學(xué)力和分子力；發(fā)展導(dǎo)電afm，測(cè)量表面/界面局域電輸運(yùn)性質(zhì)。2）超快激光耦合掃描隧道顯微鏡技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有空間分辨的超快動(dòng)力學(xué)表征技術(shù)，通過(guò)耦合低溫超高真空stm，實(shí)現(xiàn)皮秒-納秒時(shí)間分辨、原子級(jí)空間分辨、及電子態(tài)能量分辨等多維度綜合測(cè)控技術(shù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)納米系統(tǒng)的電子激發(fā)態(tài)（涉及單粒子激發(fā)態(tài)和集體激發(fā)態(tài)）和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的時(shí)間和空間上的探測(cè)與分析，在一些簡(jiǎn)單原位可以制作的體系上獲得基本物理過(guò)程的理解。3）高分辨透射電鏡中的掃描探針技術(shù)研制完成高分

8、辨透射電鏡與掃描探針光電測(cè)試聯(lián)合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)一一對(duì)應(yīng)的原位表征，表征結(jié)構(gòu)包括表/界面和體結(jié)構(gòu)，測(cè)量功能包括單個(gè)納米結(jié)構(gòu)單元的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和光、電相互轉(zhuǎn)換特性等；開(kāi)發(fā)光機(jī)電一體化掃描探針，實(shí)現(xiàn)微區(qū)操縱和納尺度光、機(jī)、電耦合性質(zhì)的測(cè)量；利用原位外場(chǎng)條件，在原子水平觀察界面離子交換和界面電化學(xué)、光電化學(xué)的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程。4）納尺度物性與多場(chǎng)耦合性質(zhì)的探針測(cè)量技術(shù)發(fā)展低溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡及其與光電測(cè)試聯(lián)合系統(tǒng)。尋找提高近場(chǎng)光學(xué)成像的分辨率和增加其穩(wěn)定性的新原理和新方法，利用低溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡測(cè)量半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)形貌與近場(chǎng)發(fā)光特性和金屬表面等離激元光學(xué)器件的光學(xué)特性，探測(cè)受限體

9、系中電子輸運(yùn)行為及量子特性；發(fā)展和建立基于spm 的納尺度彈性與熱學(xué)特性原位定量表征技術(shù)，研究外場(chǎng)下納米材料電子態(tài)誘導(dǎo)的載流子輸運(yùn)行為與微結(jié)構(gòu)演化機(jī)制；設(shè)計(jì)制作可以原位施加磁場(chǎng)、電場(chǎng)、光、應(yīng)力的變溫探針臺(tái)，原位研究多鐵材料納米結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、光、應(yīng)力、溫度等多場(chǎng)耦合與調(diào)控性質(zhì)。2、 研制六種先進(jìn)的納米表征儀器，技術(shù)指標(biāo)分別如下：1）調(diào)頻/調(diào)相模式原子力顯微鏡：結(jié)構(gòu)分辨率：實(shí)現(xiàn)二次諧波信號(hào)成像，獲得si(111)-7x7 原子像；力分辨率：pn。2）超快激光耦合掃描隧道顯微鏡：時(shí)間分辨范圍：200 fs 至1 ns；原子級(jí)空間分辨：1；溫度：15 k；超高真空：10-10 torr。3）透射電鏡

10、與掃描探針光電測(cè)試聯(lián)合系統(tǒng)空間分辨：0.2 nm;探針移動(dòng)精度：1 nm;光譜檢測(cè)波長(zhǎng)范圍：紫外到中紅外；光信號(hào)檢測(cè)強(qiáng)度：檢測(cè)到單根納米線發(fā)光；動(dòng)態(tài)觀察分辨率：可觀察到電場(chǎng)下離子的遷移過(guò)程。4）低溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡光電測(cè)試系統(tǒng)光學(xué)分辨率： 50 nm;光學(xué)照射面積: 100 nm;光電流信號(hào): 0.1 na;低溫：6 的論文20 篇以上，其它文章80 篇以上。本項(xiàng)目也將積極參與國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新基地建設(shè)。三、研究方案本項(xiàng)目研究的學(xué)術(shù)思路是，發(fā)展利用掃描探針技術(shù)，從表面電子態(tài)及其激發(fā)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的探測(cè)到單個(gè)納米單元原子結(jié)構(gòu)-性質(zhì)的表征，再到納尺度物性與多場(chǎng)耦合性質(zhì)測(cè)量這樣三個(gè)不同層面上開(kāi)展表征技術(shù)

11、研究，即電子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)三個(gè)層面，它們?cè)诔叨壬弦来芜f進(jìn)放大，前者為后者提供物理基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，后者在建立模型時(shí)向前者提出探測(cè)要求，每個(gè)層面又各有自己的技術(shù)要求和關(guān)注的問(wèn)題。各個(gè)層面在探針技術(shù)上相互合作，在科學(xué)問(wèn)題上相互提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)高時(shí)空分辨和多尺度、多維度的綜合表征結(jié)果，結(jié)合量子力學(xué)和經(jīng)典理論分析，系統(tǒng)研究表面效應(yīng)、界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)等，探究納米尺度的物性測(cè)量原理、方法及其適用判據(jù)，開(kāi)發(fā)國(guó)際上尚無(wú)商業(yè)化的儀器。總體研究思路和技術(shù)途徑如下圖所示：總體研究思路和技術(shù)途徑示意圖本項(xiàng)目具體的技術(shù)方案是：1、發(fā)展先進(jìn)原子力顯微鏡技術(shù)研發(fā)石英音叉的動(dòng)態(tài)afm，具有多種成像模式，如振

12、幅、位相虛部、位相實(shí)部、間距等成像模式。利用f(z)譜研究原子分子與針尖化學(xué)鍵力，識(shí)別表面元素的化學(xué)特征，測(cè)量基底表面不同點(diǎn)位與針尖力相互作用的空間分布。發(fā)展導(dǎo)電針尖afm，測(cè)量表面局域接觸電勢(shì)差，研究局域電學(xué)性質(zhì)。2、研發(fā)超快激光耦合掃描隧道顯微鏡技術(shù)在超快時(shí)間分辨光耦合stm 的技術(shù)方案中，我們將stm 的原子級(jí)空間分辨與超快激光的飛秒級(jí)時(shí)間分辨兩個(gè)尖端的實(shí)驗(yàn)手段有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，同時(shí)也是光學(xué)調(diào)控手段和電學(xué)調(diào)控手段的有機(jī)結(jié)合，在國(guó)際上都屬于最新嘗試。為獲得高度穩(wěn)定性，除了設(shè)計(jì)最佳的地面機(jī)械減振系統(tǒng)外，在stm 設(shè)計(jì)上采用在振動(dòng)穩(wěn)定性方面性能優(yōu)異的besocke 設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在壓電

13、陶瓷管的對(duì)稱分布上，這樣可以盡量減少溫差引起的漂移。而且，這種開(kāi)放式掃描探頭的設(shè)計(jì)可兼容多種光收集方案。為減少震動(dòng)耦合，激光器系統(tǒng)與stm超高真空腔將處于不同的減震平臺(tái)。利用超快激光泵浦-探測(cè)技術(shù)，調(diào)制脈沖對(duì)延時(shí)，探測(cè)遂穿電流或者熒光光譜的變化。通過(guò)該變化曲線，可以在皮秒甚至亞皮秒級(jí)精度得到激發(fā)態(tài)的壽命。對(duì)于其他一些激發(fā)態(tài)過(guò)程，如電荷轉(zhuǎn)移等，相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)可能達(dá)納秒量級(jí)。為提高測(cè)量信號(hào)靈敏度，實(shí)驗(yàn)中將使用鎖相放大技術(shù)，通過(guò)延時(shí)信號(hào)與探測(cè)信號(hào)的關(guān)聯(lián)測(cè)量提高信噪比。3、研制原位透射電鏡掃描探針光電測(cè)試系統(tǒng)研制儀器的系統(tǒng)主要由透射電鏡樣品臺(tái)及其內(nèi)置的光學(xué)測(cè)量、光電測(cè)量和探針驅(qū)動(dòng)四部分組成。4、發(fā)展低

14、溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡與高分辨光電測(cè)試系統(tǒng)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡設(shè)計(jì)在超高真空和液氦杜瓦中，制作連接樣品的電極裝置，可檢測(cè)電流和加電壓。光通過(guò)光纖針尖以100 納米區(qū)域照射掃描樣品，此裝置可獲得樣品的光電流變化。探頭既可是光纖針尖，又可以是ito 導(dǎo)電針尖，同時(shí)可獲得發(fā)光樣品的電子態(tài)和光信號(hào)。5、發(fā)展高分辨掃描探針熱電顯微鏡技術(shù)建立了基于spm 的高分辨率三倍頻雙探針掃描熱電顯微術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱電材料微區(qū)熱導(dǎo)的定性評(píng)價(jià)和原位定量測(cè)量，研究高性能能源轉(zhuǎn)換材料中有關(guān)與熱物理特性密切相關(guān)的載流子輸運(yùn)等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。6、設(shè)計(jì)制作磁電力多功能探針臺(tái)可以原位施加磁場(chǎng)（磁場(chǎng)可以360度轉(zhuǎn)角）、電場(chǎng)、光、應(yīng)力的可變溫探針

15、臺(tái)（溫度范圍10-500k），原位研究磁場(chǎng)、電場(chǎng)、光、應(yīng)力、溫度對(duì)納米材料磁性和電性的調(diào)控。與國(guó)內(nèi)外同類研究相比，本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)是，將掃描探針技術(shù)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于納米表征研究中，在原子級(jí)空間分辨、飛秒級(jí)時(shí)間分辨水平探測(cè)表面電子態(tài)和激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，在單個(gè)納米結(jié)構(gòu)單元的層次表征原子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)原位多尺度多維度的動(dòng)態(tài)表征，開(kāi)發(fā)幾種國(guó)際上尚無(wú)商業(yè)化的儀器，在國(guó)內(nèi)外同類研究中處于先進(jìn)水平。本項(xiàng)目組很多成員在掃描探針技術(shù)上有特長(zhǎng)，如qplus 技術(shù)、光耦合超快stm 技術(shù)、低溫stm 高分辨能譜技術(shù)、原位tem技術(shù)、snom 技術(shù)、掃描探針壓電-熱學(xué)-聲學(xué)顯微技術(shù)等等。所有成員均是國(guó)內(nèi)納米

16、研究的中青年骨干力量。綜上所述，本項(xiàng)目建立在項(xiàng)目組前期研究的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)與創(chuàng)新性成果之上，項(xiàng)目組成員在掃描探針技術(shù)和納米研究中做出過(guò)開(kāi)創(chuàng)性研究工作。本項(xiàng)目跨學(xué)科研究隊(duì)伍比較集中，對(duì)國(guó)內(nèi)外掃描探針技術(shù)研究動(dòng)態(tài)與現(xiàn)狀有清楚的了解和深入的認(rèn)識(shí)，成員之間已形成了很好的默契和相互合作。有些骨干成員之間已經(jīng)合作發(fā)表了有國(guó)際影響的論文或合作申請(qǐng)發(fā)明專利，非常有利于本項(xiàng)目的管理和組織。因此，本項(xiàng)目基于掃描探針技術(shù)發(fā)展納米表征新方法研究是先進(jìn)可行的，如能得到資助，項(xiàng)目將會(huì)順利實(shí)施，能夠取得一系列出色的創(chuàng)新性成果，以該項(xiàng)目為起點(diǎn)平臺(tái)，在我國(guó)打造一支納米表征技術(shù)研究的穩(wěn)定隊(duì)伍。課題設(shè)置課題一： 先進(jìn)原子力顯微鏡技術(shù)與應(yīng)

17、用研究預(yù)期目標(biāo)：本課題將研制一臺(tái)儀器：動(dòng)態(tài)諧振調(diào)頻/調(diào)相模式原子力顯微鏡。申請(qǐng)6 項(xiàng)以上專利，在影響因子大于6 的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表5 篇以上論文，其它論文20 篇以上，力爭(zhēng)在12 個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題研究上取得創(chuàng)新性成果。主要研究?jī)?nèi)容：1、 發(fā)展afm 的qplus 技術(shù)，在原子尺度測(cè)量表面電子態(tài)，實(shí)現(xiàn)高分辨力/電相關(guān)的測(cè)量技術(shù)。包括：1）降低qplus 實(shí)驗(yàn)中電流和力信號(hào)間的串?dāng)_問(wèn)題；2）低噪聲qplus 信號(hào)的測(cè)量問(wèn)題；3）qplus 傳感器的實(shí)驗(yàn)參數(shù)標(biāo)定問(wèn)題等。2、 應(yīng)用qplus 技術(shù)測(cè)量納尺度下表面原子/分子與針尖間化學(xué)鍵作用力、表面電荷分布和局域功函數(shù)等。3、 研制動(dòng)態(tài)諧振調(diào)頻/調(diào)相afm

18、：設(shè)計(jì)具有石英音叉、al2o3 和導(dǎo)電針尖的afm結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)諧振調(diào)相afm 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二次諧波成像，獲得afm 原子像，并利用它進(jìn)行多體系的納米力學(xué)測(cè)量。4、 發(fā)展導(dǎo)電afm 技術(shù)，測(cè)量表面/界面局域電輸運(yùn)性質(zhì)。經(jīng)費(fèi)比例： 24%承擔(dān)單位： 國(guó)家納米科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院物理研究所課題負(fù)責(zé)人： 裘曉輝學(xué)術(shù)骨干：鄧珂、郭延軍、梁學(xué)錦、王晶課題二： 超快激光耦合掃描隧道顯微鏡技術(shù)與應(yīng)用研究預(yù)期目標(biāo)：本課題將研發(fā)一臺(tái)儀器：超快激光耦合掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)。申請(qǐng)6 項(xiàng)以上專利，在影響因子大于6 的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表5 篇以上論文，其它論文20 篇以上，力爭(zhēng)在12 個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題研究上取得創(chuàng)新性成果。主要研

19、究?jī)?nèi)容：1、發(fā)展超快激光耦合stm 技術(shù)研發(fā)超高真空低溫光耦合stm 系統(tǒng)，完善低溫和超高真空設(shè)計(jì)，優(yōu)化信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，完善納米結(jié)構(gòu)激發(fā)態(tài)超快時(shí)間分辨技術(shù)。研究超快脈沖激光對(duì)納米體系隧穿電流激發(fā)過(guò)程的影響。2、納米體系光激發(fā)及相關(guān)動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究1）利用超快激光激發(fā)單個(gè)納米體系，研究激光脈沖對(duì)納米結(jié)構(gòu)表面擴(kuò)散、吸附構(gòu)型及形貌變化、表面化學(xué)鍵重構(gòu)等的影響。在皮秒-納秒時(shí)間尺度上探測(cè)激發(fā)態(tài)時(shí)間響應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。研究單個(gè)納米結(jié)構(gòu)受激充放電過(guò)程及由此引起的吸附構(gòu)型和形貌的變化，以及誘導(dǎo)的熒光光譜等。2）研究nial，cu 或者au 等金屬襯底上制備超薄的氧化物和氯化物絕緣層的生長(zhǎng)技術(shù)和條件優(yōu)化，及納米

20、結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)方法。超薄絕緣層可以調(diào)制納米結(jié)構(gòu)與金屬襯底間的耦合，同時(shí)還能保證電子能夠遂穿。擬研究的納米結(jié)構(gòu)包括金屬納米顆粒（au，ag 等）、半導(dǎo)體納米顆粒（如tio2 等）、及卟啉類光敏分子。經(jīng)費(fèi)比例： 24%承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院物理研究所課題負(fù)責(zé)人： 陸興華學(xué)術(shù)骨干： 郭陽(yáng)、單欣巖、紀(jì)愛(ài)玲、江南課題三： 透射電鏡中的掃描探針技術(shù)與應(yīng)用研究預(yù)期目標(biāo)：本課題將研制一臺(tái)儀器：原位透射電鏡掃描探針納米表征系統(tǒng)。申請(qǐng)6 項(xiàng)以上專利，在影響因子大于6 的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表5 篇以上論文，其它論文20 篇以上，力爭(zhēng)在12 個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題研究上取得創(chuàng)新性成果。主要研究?jī)?nèi)容：1、 透射電鏡內(nèi)置三維掃描電學(xué)探

21、針的設(shè)計(jì)制作。三維掃描探針驅(qū)動(dòng)功能由兩部分構(gòu)造實(shí)現(xiàn)，一部分是壓電陶瓷片驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在縱向方向的移動(dòng)；另一部分是由壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)，利用振動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)針尖在兩個(gè)橫向方向的移動(dòng)，利用壓電陶瓷管的彎曲和伸縮實(shí)現(xiàn)三維方向的細(xì)調(diào)。2、 透射電鏡內(nèi)置三維掃描光學(xué)探針的設(shè)計(jì)制作。為提高光纖對(duì)透射電鏡樣品收集信號(hào)的效率，增加光纖接受光的立體角或光纖透鏡；同時(shí)，制作光纖探針代替原有的掃描探針，使光纖直接與樣品接觸，從而提高收集信號(hào)的效率。3、 應(yīng)用研發(fā)的儀器，測(cè)量納米材料界面電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，原位表征界面高分辨結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)界面光電性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的一一對(duì)應(yīng)，在原子尺度揭示界面光電性質(zhì)的機(jī)理。研究界面光電耦合性質(zhì)，揭示納米結(jié)構(gòu)光

22、、電轉(zhuǎn)換特性和光電調(diào)控的機(jī)理。4、 應(yīng)用研發(fā)的儀器，開(kāi)展氧離子傳輸過(guò)程的原位直接觀察及其對(duì)相關(guān)物理和化學(xué)性質(zhì)重要影響的研究；研究氧化物界面氧離子和電子的混合傳輸特性，探索新型器件的原理基礎(chǔ)。經(jīng)費(fèi)比例： 28%承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、武漢理工大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 白雪冬學(xué)術(shù)骨干： 許智、麥立強(qiáng)、曹鴻濤、汪愛(ài)英課題四： 納尺度物性與多場(chǎng)耦合性質(zhì)的探針測(cè)量技術(shù)研究預(yù)期目標(biāo)：本課題將研發(fā)兩臺(tái)儀器：低溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和納米熱學(xué)-聲學(xué)掃描探針顯微鏡。申請(qǐng)6 項(xiàng)以上專利，在影響因子大于6 的學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表5 篇以上論文，其它論文20 篇以上，力爭(zhēng)在12 個(gè)重大科

23、學(xué)問(wèn)題研究上取得創(chuàng)新性成果。主要研究?jī)?nèi)容：1、發(fā)展低溫掃描探針近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡技術(shù)完善液氦溫區(qū)的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，主要包括：a) 制備高分辨、高通光量的光纖探針及金屬化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力；b) 完善近場(chǎng)熒光系統(tǒng)，光的激發(fā)、接收、微弱信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)字圖像處理；c) 建立非線性光學(xué)信號(hào)(二次諧波或高次諧波)檢測(cè)系統(tǒng)；d)解決在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)微弱信號(hào)成像過(guò)程中圖像的漂移問(wèn)題。2、高分辨納米熱學(xué)-聲學(xué)掃描探針顯微術(shù)的開(kāi)發(fā)建立納米尺度熱學(xué)-聲學(xué)原位定量表征技術(shù)，開(kāi)展納米材料亞表面結(jié)構(gòu)顯微成像及微區(qū)彈性、熱學(xué)特性的高分辨率聲學(xué)、熱學(xué)顯微成像，研究近場(chǎng)聲學(xué)、熱學(xué)顯微成像機(jī)制，原位實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)電場(chǎng)、溫場(chǎng)等外場(chǎng)下納

24、米材料電子態(tài)所誘導(dǎo)的載流子輸運(yùn)行為，揭示微結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化機(jī)制及其相互作用的影響規(guī)律，闡明納米尺度結(jié)構(gòu)變異與納米尺度功能響應(yīng)之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。3、納尺度磁、電、力多場(chǎng)耦合性質(zhì)的測(cè)量技術(shù)研究設(shè)計(jì)制作可以施加磁場(chǎng)、電場(chǎng)、光、應(yīng)力的變溫探針臺(tái)，原位研究多鐵材料納米結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、光、應(yīng)力、溫度等多場(chǎng)耦合與調(diào)控性質(zhì)。以多鐵材料作為研究實(shí)例，研究納米尺度下鐵磁-鐵電-鐵彈的耦合特性。經(jīng)費(fèi)比例： 24%承擔(dān)單位： 北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所課題負(fù)責(zé)人： 林峰學(xué)術(shù)骨干： 曾華榮、萬(wàn)青、李潤(rùn)偉、陳斌課題間關(guān)系圍繞項(xiàng)目的總體目標(biāo)，發(fā)展基于掃描探針技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，從表面

25、電子態(tài)及其激發(fā)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的探測(cè)到單個(gè)納米功能單元性質(zhì)-結(jié)構(gòu)關(guān)系表征，再到納米尺度物性與多場(chǎng)耦合性質(zhì)測(cè)量這樣三個(gè)不同層面上開(kāi)展表征技術(shù)研究。通過(guò)綜合的高時(shí)空分辨和多尺度、多自由度的表征結(jié)果，結(jié)合理論分析，建立適合納米尺度材料表征的新技術(shù)、新方法及其適用判據(jù)，開(kāi)發(fā)國(guó)際上尚無(wú)商業(yè)化的儀器。按上述思路，設(shè)臵以下四個(gè)課題：（1）先進(jìn)原子力顯微鏡技術(shù)與應(yīng)用研究；（2）超快激光耦合掃描隧道顯微鏡技術(shù)與應(yīng)用研究；（3）透射電鏡中的掃描探針技術(shù)與應(yīng)用研究；（4）納尺度物性與多場(chǎng)耦合性質(zhì)的探針測(cè)量技術(shù)研究。四個(gè)課題形成從電子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)三個(gè)層面開(kāi)展表征技術(shù)研究這樣一條主線，前者為后者提供物理基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)

26、，后者在建立模型時(shí)向前者提出探測(cè)要求，每個(gè)層面又各有自己的技術(shù)要求和關(guān)注的問(wèn)題。各個(gè)層面在探針技術(shù)上相互合作，在科學(xué)問(wèn)題上相互提供數(shù)據(jù)支持?；谌齻€(gè)層面的表征結(jié)果，實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨和多場(chǎng)條件下的性質(zhì)、現(xiàn)象和過(guò)程的綜合表征。課題三在界面和體結(jié)構(gòu)分辨的環(huán)境下開(kāi)展單個(gè)納米結(jié)構(gòu)的物性測(cè)量研究，可起到聯(lián)系前后課題的橋梁紐帶作用。四個(gè)課題間關(guān)系密切，彼此相互補(bǔ)充，相互支持，形成一個(gè)多尺度、多維度、高時(shí)空分辨表征技術(shù)研究的有機(jī)整體，用圖示概括如下：四個(gè)課題間的關(guān)系簡(jiǎn)圖四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年在納米表征技術(shù)研究方面，發(fā)展qplus-afm技術(shù)，著重解決實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：降低qplus-afm實(shí)驗(yàn)中

27、電流和力信號(hào)間的串?dāng)_問(wèn)題；qplus-afm信號(hào)的低噪聲測(cè)量；qplus-afm傳感器的實(shí)驗(yàn)參數(shù)標(biāo)定等；利用超快光譜技術(shù)進(jìn)行特征樣品的時(shí)間分辨測(cè)量；完善原位透射電鏡掃描電學(xué)探針的設(shè)計(jì)制作，提高掃描探針的穩(wěn)定性和掃描探測(cè)范圍；低溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的研制，著重于真空腔體中壓電掃描特性；高分辨率納米熱學(xué)-聲學(xué)顯微成像研究；針對(duì)多場(chǎng)耦合測(cè)試技術(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作進(jìn)行綜合調(diào)研，優(yōu)化納米尺度磁電力光熱多場(chǎng)耦合測(cè)量技術(shù)整體方案，設(shè)計(jì)并購(gòu)置低溫探針臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)。在納米表征的材料基礎(chǔ)方面，制備原子級(jí)平整的nial, cu ,au，ag等單晶表面；在nial，cu 或者au 等金屬襯底上制備原子級(jí)平整的超薄氧

28、化物和氯化物等絕緣層；利用低溫吸附和外延生長(zhǎng)技術(shù)，在絕緣層上生長(zhǎng)金屬納米結(jié)構(gòu)（au，ag等），沉積半導(dǎo)體納米顆粒（如tio2等），吸附卟啉類光敏分子等；開(kāi)展光電功能納米結(jié)構(gòu)和離子型導(dǎo)體材料的制備研究。在納米表征技術(shù)方面，完善和優(yōu)化商品化儀器qplus-afm技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原子分辨成像和極微弱力的精確測(cè)量；實(shí)現(xiàn)特征樣品的超快光譜測(cè)量；提高原位透射電鏡電學(xué)測(cè)量的能力，既能對(duì)納米材料結(jié)構(gòu)單元/材料微區(qū)進(jìn)行操作和電學(xué)測(cè)量，又具有穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)分辨能力；獲得在真空腔體中掃描近場(chǎng)光學(xué)圖像，提高其光學(xué)分辨率；揭示納米近場(chǎng)熱學(xué)、聲學(xué)成像機(jī)理；獲得納米尺度磁電力多場(chǎng)耦合測(cè)量技術(shù)整體方案，完成低溫探針臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和

29、購(gòu)置。在納米表征材料基礎(chǔ)研究方面，完成原子級(jí)平整的nial, cu ,au，ag等單晶表面的制備；獲得nial，cu 或者au 等金屬襯底上原子級(jí)平整的超薄氧化物和氯化物等絕緣層；實(shí)現(xiàn)在絕緣層上生長(zhǎng)金屬納米結(jié)構(gòu)（au，ag等），沉積半導(dǎo)體納米顆粒（如tio2等），吸附卟啉類光敏分子等的制備；制備出特定功能的半導(dǎo)體納米線和薄膜、氧化鈰和硅、釩氧化物等納米材料。第二年利用qplus-afm技術(shù)f(z)譜研究原子/分子與針尖化學(xué)鍵力，識(shí)別表面元素的化學(xué)特征；開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)諧振調(diào)相afm技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高次諧波成像，進(jìn)行納米力學(xué)測(cè)量；優(yōu)化低溫和超高真空設(shè)計(jì)，提高信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理能力，完善超高真空低溫光耦合stm

30、 系統(tǒng)；利用高分辨stm表征金屬/超薄絕緣層/單分子納米體系的空間構(gòu)型以及電子局域態(tài)密度譜；測(cè)量單個(gè)分子以及納米結(jié)構(gòu)受隧穿電子或光子激發(fā)引起的充放電過(guò)程；利用超快激光激發(fā)單個(gè)納米體系，研究激光脈沖對(duì)納米結(jié)構(gòu)表面擴(kuò)散的影響；設(shè)計(jì)制作原位透射電鏡掃描光學(xué)探針；開(kāi)展納米材料光電性質(zhì)機(jī)理研究；探索新型納米結(jié)構(gòu)和器件的加工測(cè)量方法；低溫掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的研制，著重于在低溫下壓電掃描特性；納米熱學(xué)定量表征技術(shù)研究；在低溫探針臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)多場(chǎng)耦合性質(zhì)測(cè)量需求，增加磁場(chǎng)、電場(chǎng)的施加、檢測(cè)及控制部件，以及整體安裝調(diào)試。發(fā)展原子/分子尺度上的化學(xué)識(shí)別技術(shù)。完成低溫超高真空系統(tǒng)的優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)金屬/超薄絕緣

31、層/單分子納米體系的stm表征；完成單個(gè)分子以及納米結(jié)構(gòu)受隧穿電子或光子激發(fā)引起的充放電過(guò)程的探索；完成單個(gè)納米體系光激發(fā)后在表面擴(kuò)散規(guī)律的研究；實(shí)現(xiàn)原位透射電鏡材料微區(qū)/單根納米線的光學(xué)性質(zhì)和光電轉(zhuǎn)換性質(zhì)測(cè)試；演示光、機(jī)、電耦合和相互調(diào)制的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，揭示其微觀機(jī)理；實(shí)現(xiàn)一種基于新原理設(shè)計(jì)的非常規(guī)結(jié)構(gòu)或器件的加工制作方法；獲得在低溫下掃描近場(chǎng)光學(xué)圖像，提高掃描的穩(wěn)定性和可重復(fù)性；建立微區(qū)熱電物理參量定量表征技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱電材料微區(qū)熱導(dǎo)、微區(qū)塞貝克系數(shù)的原位定量表征、微結(jié)構(gòu)的高分辨熱學(xué)顯微成像；獲得同時(shí)施加磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度的探針裝置。第三年探測(cè)半導(dǎo)體和金屬氧化物材料表面原子吸附位的功函數(shù)信息和吸附

32、勢(shì)壘分布，研究原子/分子在表面擴(kuò)散過(guò)程。研究afm探針與表面間的局域能量耗散特性，揭示原子在材料表面的摩擦和粘附機(jī)理；研究激光脈沖對(duì)單分子體系吸附構(gòu)型及形貌變化的影響；研究激光脈沖對(duì)單分子體系表面化學(xué)鍵重構(gòu)等的影響；測(cè)量隧穿電流誘導(dǎo)的單分子熒光光譜；發(fā)展單分子/納米結(jié)構(gòu)激發(fā)態(tài)超快時(shí)間分辨技術(shù)；研制原位透射電鏡光機(jī)電三維掃描探針裝置；研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的新奇光學(xué)性質(zhì)與機(jī)理；探索基于新原理的換能器件；完善液氦溫區(qū)的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，開(kāi)展光電聯(lián)合系統(tǒng)的研究；納米聲學(xué)定量表征技術(shù)顯微成像研究；利用磁電力多場(chǎng)耦合測(cè)試系統(tǒng)來(lái)研究多鐵性材料中的多場(chǎng)耦合效應(yīng)，重點(diǎn)研究力熱光電磁作用下多鐵材料的鐵電性

33、和壓電性的變化規(guī)律。研究半導(dǎo)體、氧化物的表面結(jié)構(gòu)、缺陷、吸附物的電子態(tài)特性；完成激光脈沖引起的單分子體系吸附構(gòu)型及形貌變化、化學(xué)鍵重構(gòu)等規(guī)律的研究；實(shí)現(xiàn)隧穿電流誘導(dǎo)的單分子熒光光譜的測(cè)量；實(shí)現(xiàn)皮秒-納秒時(shí)間分辨、原子級(jí)空間分辨、及電子態(tài)能量分辨等多維度綜合測(cè)控技術(shù)；制作完成光機(jī)電光纖探針，實(shí)現(xiàn)納米材料光電性質(zhì)與原子結(jié)構(gòu)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系表征，揭示納米新現(xiàn)象的機(jī)理；完成一種重要的新型換能器件的設(shè)計(jì)制備；實(shí)現(xiàn)高分辨、高通光量的光纖探針的制作及其金屬化，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力；完善近場(chǎng)熒光系統(tǒng)，光的激發(fā)、接收、微弱信號(hào)的檢測(cè)、數(shù)字圖像處理； 解決在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)對(duì)微弱信號(hào)成像過(guò)程中圖像的漂移問(wèn)題；建立納米材料微區(qū)彈性的原位定量表征技術(shù)，實(shí)現(xiàn)納米材料微區(qū)彈性的定量表征及亞表面微結(jié)構(gòu)的高分辨聲學(xué)顯微成像；獲得同時(shí)施加磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度、光照、應(yīng)力的探針裝置。第四年結(jié)合f（z）譜和實(shí)時(shí)stm隧道電流測(cè)量，了解吸附原子/分子與半導(dǎo)體表面的電子態(tài)雜化和吸附機(jī)制，探索從原子團(tuán)簇到納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)程中電子能級(jí)結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律；研