自由支撑基底表面多孔金属原子团簇的微观结构及物理特性

We are going to study various physical problems of a new porous metallic nanocluster system and its aggregates grown on free standing substrates systematically. By thermal evaporation method and controlling the self-assembly aggregation process, the porous metallic nanoclusters with the diameter around 30 nm and its aggregates, such as the nanowires, nanorings, branched atomic agregates etc., are fabricated on silicone oil，ionic liquid and other liquid material surfaces at room temperature. Then the microstructure and its calibration, formation mechanism, magic number structure, stability of the porous structure, absorption spectrum of light and spontaneous magnetization of the samples will be studied and the anomalous physical laws will be detected. Based on the free standing condition of the samples approximately, we will try to improve and develop the related theoretical models (the simulation model for the nonlattice quasi-periodic condition, spontaneous magnetization theory for low dimension systems etc.) and study the self-assembly aggregation of the metallic atoms, average binding energy of the atoms, magic number structure, porous structure and absorption spectrum of light, crystallization, fractional dimension magnetic domain growth and other basic problems theoretically. Finally we hope to establish a new theory for the growth mechanism and physical properties of the new nanosystem on free standing substrates, which may become a new branch of the modern nanophysics.

本项目将系统研究生长在自由支撑基底表面的新型多孔金属原子团簇及其凝聚体的各类物理问题。在室温条件下，采用热蒸发方法，在硅油、离子液体以及其它液相基底表面沉积磁性或非磁性原子，通过控制沉积原子的自组装凝聚过程，制备直径约30纳米左右的多孔金属原子团簇以及由此凝聚而成的纳米线、介观环、分支状凝聚体等多孔纳米系统，并研究其微观结构及标定、形成机理、原子幻数结构、多孔结构稳定性、吸收光谱、自发磁化规律等,揭示此类新型纳米系统的奇异物理规律；改进和创新有关理论模型(如无格点准周期边界条件模拟模型、低维自发磁化理论等), 根据样品的近似自由边界条件, 对原子自组装凝聚、平均结合能、幻数结构、多孔结构与吸收光谱、晶相生长、分维磁畴生长规律等基础性问题进行深入的理论研究, 初步建立有关此类新型纳米系统的生长机理及物理特性新理论,使之成为现代纳米物理学的一个新颖分支。

本项目采用真空热蒸发沉积方法，在液相基底表面制备纳米原子团簇、纳米晶体等，研究其形成、微结构演化、晶相生长及其物理机理，取得较好成果。.1. 采用硅油作基底，在不同条件下制备金属铝纳米团簇，并研究其生长规律、多孔微观结构塌缩等问题：.（1）在室温条件下制备样品。揭示了铝纳米团簇从二维向三维生长逐渐过渡的实验规律；发现了此类团簇多孔微观结构塌缩的实验事实，并确定其发生的实验条件区间；观察到此类团簇从无定形结构逐渐转化为晶粒结构的实验现象，并测量了其弛豫时间范围。.（2）在液相基底温度Ts = 293—393K区间内，进一步测得了有关铝纳米团簇的多孔微结构演化及塌缩规律，获得此类新型纳米团簇在结构塌缩时物质密度变化百分比、塌缩弛豫时间等，并给以圆满的理论解释。.（3）建立了一个模拟纳米团簇从二维到三维生长的新模型，对此类金属纳米团簇生长全过程及机理进行模拟，较好地解释了纳米团簇微结构塌缩等现象。.2. 在液相基底表面生长锌纳米晶体的实验和理论研究取得较大突破！.（1）在室温和无催化剂条件下，采用真空热蒸发方法，在硅油和离子液体表面沉积锌原子，首次成功制备了一维、二维、三维和台阶状锌纳米晶体，其中的准一维纳米晶体（纳米棒或纳米线）直径可小于30纳米，长度可达微米数量级；测量并计算台阶状锌纳米晶体的台阶厚度和边缘势垒值；实验证明了此类锌晶体主要沿[002]和[010]方向生长；根据六角密集排列结构（hcp）晶体具有优先生长方向以及液体表面特性，从理论上给以解释。.（2）从计算机模拟、第一性原理的ADF程序和能量最低原理计算、建立有关具有优先生长方向特征晶体定向生长的微分方程理论模型等多种角度，在理论高度圆满解释了实验结果。.3．总结近20年来我们的研究成果和体会，整理成一部名为“科学思辨二十四则”的专著，已由商务印书馆在2015年1月正式出版发行。