基于扫描探针技术的纳米表征新方法研究

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1、项目名称：基于扫描探针技术的纳米表征新方法研究首席科学家：白雪冬中国科学院物理研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容本项目发展和利用扫描探针技术，研制高时空分辨、原位动态的纳米表征仪器，建立纳米表征的新原理和新方法；并利用开发的纳米表征技术，研究前沿科学问题。拟解决的关键表征技术、科学问题和主要研究内容有：1、发展原子尺度表面电子态表征技术1）发展AFM的qPlus技术，解决qPlus技术发展中遇到的问题，包括（1）降低qPlus实验中电流和力信号间的串扰问题；（2）低噪声qPlus信号的测量；和（3）qPlus传感器

2、的实验参数标定问题等。运用qPlus技术实现短程化学的测量，表征表面电荷分布和电子结构特征，定量化研究表面吸附原子分子与AFM针尖间的物理和化学作用力特征，实现对表面吸附原子分子与基底间电荷转移、以及原子分子吸附物在表面扩散能垒的测量，揭示电荷传输与转移的动力学机制。2）开发动态谐振调频/调相AFM技术，实现二次谐波成像，获得AFM原子像，并利用它进行多体系的纳米力学测量；发展导电AFM技术，测量表面/界面局域电输运性质。2、发展空间分辨表面激发态动力学过程表征技术发展超低温超快激光耦合STM技术，结合超快激光的时间分辨与STM的空间分辨，实现时间和空间上的高分辨探测

3、和操纵手段；研究单个纳米结构受激充放电过程及由此引起的吸附构型和形貌的变化；在皮秒-纳秒时间尺度上探测激发态时间响应过程，研究纳米体系光激发及相关动力学过程。3、研发单个纳米结构单元性质-结构对应关系表征技术开发高分辨透射电镜中扫描探针技术，研制透射电镜原位光电测试系统，实现原位微区光学测量（包括阴极发光、电致发光和光致发光）、电学测量、光电转换性质测量和探针操纵功能；研制光-机-电一体化扫描探针，提高信号的收集效率，增加检测信号的强度，在原子结构分辨的条件下实现纳米材料的多物性测量；表征界面离子传输、界面电化学和光电化学的微观过程。4、发展纳米尺度物性与多场耦合性质

4、测量技术在纳尺度光电高分辨测量方面，研制低温扫描近场光学显微镜与高分辨光电流谱的联合系统。一要突破光的衍射极限，二要提高对微弱信号的检测能力。对于利用有孔径探针的SNOM，提高光的透射率和提高探针系统的稳定性。对于无孔径金属探针而言，关键问题是金属探针的表面等离子体共振增强机理、增强型金属探针的设计、以及探针与激发光和探针定位下的纳米结构的相互作用；在纳尺度热、电、声测量方面，建立纳米尺度热学-声学原位定量表征技术，开展纳米材料亚表面结构显微成像及微区弹性、热学特性的高分辨率声学、热学显微成像，研究近场声学、热学显微成像机制，原位实时评价电场、温场等外场下纳米材料电子

5、态所诱导的载流子输运行为，揭示微结构动态演化机制及其相互作用的影响规律，阐明纳米尺度结构变异与纳米尺度功能响应之间的本质关联；在纳米尺度磁、电、力、光耦合性质测量方面，设计制作一套可同时施加磁场、电场、应力、光的变温测量探针台，实现多铁纳米材料光、机、电、磁、应力、温度等多场耦合性质的测量。5、探索纳米表征的新原理和新方法结合量子力学和经典理论计算，系统研究纳米材料和纳米结构的表面效应、界面效应、尺寸效应和量子效应等引起的性质、现象和过程，探索适合纳米材料物性测量新原理和新方法。二、预期目标本项目的总体目标是，从纳米材料最基本的电子结构和电子态激发态动力学过程的探测数

6、据出发，综合分析原位外场下高时空分辨的性质、现象和过程的表征结果，建立纳米表征原理和方法模型，并自主研发相应的高分辨表征测量技术和仪器设备，做出重要的原始创新性成果，取得有国际影响的重大突破，提升我国在高精尖纳米分析测试仪器设备制造方面的能力和水平，并提升我国自主创新和自主开发核心技术的能力，为我国纳米科技的发展提供可持续的技术支持。同时，希望通过组织这一项目，凝聚在扫描探针技术和纳米研究领域的重要研究力量和技术储备，达成优势互补，互通有无。锻炼出一支高水平且有国际竞争力的研究队伍，培养优秀的且具有国际水准的学术带头人，并培养优秀的研究生和博士后，充实我国纳米科技的研

7、究队伍和纳米科技产业化的专业队伍。五年预期目标如下：1、发展先进的纳米表征技术1）先进原子力显微镜技术完成动态谐振调相模式AFM的设计制作，实现多次谐波成像，获得原子分辨像，测量纳尺度下的各种短程力和长程力；发展并运用qPlus技术，在原子尺度表征表面结构和电子态，测量短程化学力和分子力；发展导电AFM，测量表面/界面局域电输运性质。2）超快激光耦合扫描隧道显微镜技术实现具有空间分辨的超快动力学表征技术，通过耦合低温超高真空STM，实现皮秒-纳秒时间分辨、原子级空间分辨、及电子态能量分辨等多维度综合测控技术；实现对纳米系统的电子激发态（涉及单粒子激发