分子尺度的量子行为和调控

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1、项目名称：分子尺度的量子行为和调控首席科学家：杨金龙中国科学技术大学起止年限：2008.1至2010.8依托部门：中国科学院教育部4一、研究目标的调整项目的总体目标是建立和发展空间、能量、时间三方面的分子尺度上的高分辨高灵敏表征、检测与操纵技术，探索量子调控表征与测量的新原理和新方法；实现分子量子体系中电子态与自旋态调控，揭示与量子输运特性相关的单分子电子器件和自旋器件的运作原理；实现光子态脱耦合作用及载流子输运特性的调控，研究电控单分子发光的机理及实现途径，探索单光子光源和单分子光电子器件的制作原理；建立分子尺度上量子调

2、控的理论处理方法，解释与预测分子尺度体系中的量子力学新效应；实现强关联物理过程的人工设计及其电、磁过程的原子、电子层次调控，在强电子关联、多自由度氧化物材料以及新型器件物理研究方面取得突破性进展；认识分子尺度上量子行为的本质、规律与原理，掌握分子尺度上量子调控的方法与技术，为未来信息技术提供科学基础。项目的总体目标不变，但后三年具体目标作适当的调整，具体调整的目标如下:1.以具有特殊功能的单分子（包括量子点）设计制备为基础，通过多种调控手段控制其结构和电子态，通过不同表征、测量方法细致地研究分子结构单体和耦合关联体系的物理

3、化学性质，并进一步发展高分辨表征和操纵的新方法，探讨分子量子结构中的电子态和自旋态的控制手段，分析单电子晶体管和自旋电子器件等原型量子器件的可行性原理，实现以单分子结构为核心的具有特定功能的分子新型器件原理。2.通过电子受限结构的可控制备研究，实现对其结构和电子态的调控；通过研究电子受限结构中量子输运及调控，深入理解电子输运及受限机制；通过对graphene体系的理论和实验研究，发展graphene体系的可控制备方法并设计制备相应的新型量子器件；通过对基于电子受限单体器件的设计和制备研究，进一步融合“自上而下”和“自下而上

4、”技术，获得一些制备量子电子器件的关键技术与方法。3.实现电子和空穴载流子的均衡产生、注入、传输、以及局域化辐射复合，揭示隧道结中电子、激子、表面等离激元、光子等元激发量子之间的耦合及能量转化动力学本质，掌握分子光子态（激发态）的调控手段和规律，突破荧光淬灭效应的限制，实现可控电致单分子发光，并进一步研究其单光子发射特性，探索其在等离子体光学（plasmonics）和信息传输领域的可能应用。41.从能级和波函数的层次上认识与控制分子尺度物质的分立能级结构和量子输运特性；探索和了解分子电子器件工作原理；建立分子尺度上量子调控

5、的理论研究方法；解释与预测分子尺度体系中的量子力学新效应。2.探索关联电子体系中电荷、自旋和轨道有序态及其规律，研究其丰富而复杂的物理现象。通过掺杂、外场、同位素交换和维度的控制等手段来调制物理性质，甚至诱导相变研究其量子相变行为和标度规律，应用这些性质研究原型器件。4二、研究内容和课题设置的调整在项目立项的过程中，评审专家和项目管理人员对项目的课题设置进行了认真的讨论和审核，确定了本项目的5个课题。项目执行的两年后，中期评估专家一致认为项目课题设置是合理的。因此，本项目的仍然设置5课题，不做课题调整。部分研究内容调整如下

6、。1.深入地研究钴、锰、铁等磁性酞箐分子(M-Pc)及金属复合体系中的自旋态及输运性质。利用新建设的低温磁场STM（400mK，11T）,有针对性开展对富勒烯包合物分子的磁性及电子自旋与核自旋耦合探索的研究，以期获得突破性成果。针对氧化物表面分子吸附体系中电子态和电荷转移微观机制的研究，将有可能揭示其中的物理机理。同时，也将开展氧化物表面磁性分子和磁性原子的吸附状态、自旋相关行为的研究。2.加强了石墨片（graphene）体系的量子行为和调控技术的实验研究工作。包括探索graphene的可控制备技术和高效的表征方法；通过理

7、论和实验结合，研究graphene及其条带的电子态与量子行为性能的调控，实现其电子态与性能的调控；设计并发展基于graphene体系的新型量子电子器件。3.利用已经研制的高分辨高灵敏STM－光学联用系统，围绕下一阶段的主攻方向－单分子电致发光，对已经发现的STM诱导发光现象进行深入系统的研究，课题将集中研究分子尺度上光子态调控的途径和机制，特别是如何利用隧道结场增益效应和介电层脱耦合效应（含功能供体－受体发光分子的设计与合成）来调控分子激发态寿命4.加强理论计算方法的发展与分子器件方面的研究工作。包括后自洽场的线性标度计算

8、方法、考虑针尖或自旋效应的STM图像与谱模拟、包含非弹性散射效应的电荷与自旋输运计算、以及分子的非线性光学响应的计算。加强分子器件方面的研究，侧重于理解电极－分子接触和电子－声子耦合对于输运行为的调控。增加了增加控制理论方面的研究。5.研究电荷、自旋和轨道有序的物理行为，探索材料的量子相变规律和量子临界