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[资源] 团簇和纳米体系物理发展战略

团簇和纳米体系是20世纪末发展起来的崭新领域，它所研究的对象是既不同于原子、分子，又不同于宏观物体的中间体系，尺度范围大约在0.1-100nm，这是人们过去从未进行研究的新领域，是人们认识物质世界的新层次。它的丰富物理内涵，对物理学提出了新的挑战，也是当前物理学与其它学科交叉最富有活力的热点领域。
　　团簇和纳米体系物理是研究介观尺寸范围内出现的物理现象和物理效应。纳米体系物理主要是探索尺寸限域引起的量子尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而导致纳米体系具有与常规宏观体系和微观体系不同的新的物理现象和效应。由于纳米材料尺寸小，与电子的德布洛意波长、超导相干波长及激子玻尔半径相比拟，电子局限在一个体积十分小的纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强。尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固体的准连续能带消失了，表现了分立的能级，量子尺寸效应十分显著，这使得纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。

纳米体系物理是在揭示纳米尺度范围新现象、新效应的基础上找出新的规律，提出新的概念，建立描述纳米体系新的物理框架。团簇物理主要是研究这种新物质体系奇特的物性，原子和电子的组态和运动规律，幻数与结构的关系及潜在的应用。当前，世界上先进国家都把团簇和纳米体系作为物理学研究的重点。

美国物理学会主持的一年一度物理学年会（March Meeting）上，这方面的研究论文逐年增加，98、99年发表的论文比90年代初期增加了10倍。国际上每年都召开团簇和纳米体系方面的国际会议。我国在"八五"期间，国家科技部和国家基金委分别立项，组织有关科技人员进行对上述领域的研究。在纳米体系和团簇的研究在国际上已占有一席之地，发表论文总数仅次于美、日、德，位居世界第四。
　　纳米体系物理研究范围主要包括：
　　（1）纳米有序阵列体系
　　将金属纳米粒子、半导体粒子按一定的周期整齐排列，形成纳米势阱网络系统，可以控制纳米颗粒的大小和排列周期，在外场的作用下研究该体系的光、热、电、磁等特性以及颗粒尺寸和排列周期对各种物性与常规体系不同，存在临界效应。例如：可以调整颗粒尺寸、排列周期和外场来控制物性的临界效应。当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电。这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。光、磁等现象也有类似的临界效应。开展这一体系的研究不但有科学意义，而且有着重要的应用前景。
　　（2）纳米颗粒与介孔复合体系
　　这一体系是将纳米颗粒或团簇添充到具有界观尺度的空隙的介质中。纳米颗粒可以是金属，也可以是半导体；可以是磁性离子，也可以是铁电体小课题，介孔固体可以是氧化物、磷酸盐或者是碳酸盐，空隙可以是随机分布也可以是有序排列。纳米颗粒添充后形成了介孔复合体。由于尺度限域、界面耦合这种异质异相的介孔复合体出现了既不同于纳米颗粒也不同于介孔固体本身的性能，有独特的新现象。例如，把过渡族金属铁、钴、镍纳米粒子添充到三氧化二铝介孔中会出现铁、钴、镍截然不同的磁学现象，加钴的介孔复合体磁滞回线变得很宽，加铁的变的很窄，加镍的磁化率出现异常。高于居里点，磁化率等于零，低于居里点，磁化率等于常数。银纳米颗粒与二氧化硅介孔固体复合，介电常数增加一个数量级。介孔复合体界面耦合和激子限域会导致光学非线性和奇特的光吸收现象。
　　（3）纳米颗粒与流体介质复合体系
这种体系实际上是纳米颗粒悬浮在液体中，在光、电、磁和力场作用下引起复合体系粘滞系数发生变化，在外场的作用下，颗粒在悬浮液中排列的有序和无序将导致物性变化的临界效应，对这一体系的深入研究既有实际意义又有理论价值。
　　（4）纳米镶嵌复合体系
　　这个体系包括纳米颗粒膜和颗粒固体。由于颗粒的小尺寸效应、界面效应和量子效应使得该体系出现许多新奇的特性。巨磁阻、巨矫顽力、磁光效应、介电限域等都是近年来在这一体系中发现的引人注目的新现象，引起了凝聚态物理和材料物理科学家们的极大兴趣。在研究颗粒的尺寸、形貌、分布及体积百分比的变化对各种性能的影响，探索新现象产生的原因是当前纳米镶嵌体系物理研究的重要趋势。
　　纳米体系重点研究的内容
（1）尺寸限域诱导的量子现象、电子传输的尺寸效应、电子和声子的局域性、纳米体系内电子和声子波函数的表征。
（2）量子尺寸效应诱导的光、热、电、磁的新现象；
（3）量子尺寸限域效应诱导的光学非线性、激子限域、激子能级的移动尺寸效应、激子声子的交互作用；
（4）纳米体系介电限域效应、尺寸限域引起的电荷发布的不均匀性、新的激化机制和等离子共振吸收的尺寸效应；
（5）纳米体系中的宏观量子隧道效应、电子自旋构象；
（6）极端条件下纳米体系物性、量子输运；
（7）纳米材料、晶格畸变、缺陷及界面原子构型的直接观察，纳米材料不完整区的原子位移和应变场分布；
（8）纳米微粒及聚集的分形结构及谱学的混沌现象；
（9）纳米固体介电行为的尺寸效应、极化机制；
（10）介孔与异质纳米微粒复合体的电子结构、界面耦合及物质输运、界面热力学；
（11）用第一性原理研究团簇的结构幻数及结构稳定性、电子局域性和扩展态。
　　团簇物理主要研究内容：
（1）团簇结构的光谱、光电子能谱研究；
（2）团簇特性
　　光电子能谱（PES）及零动能光电子光谱（ZEKE）确定各种团簇的能级和振动能级，从而确定电子能级。
　　确定各种尺寸团簇的磁化率。
　　C60及富勒烯衍生物的结构和它们的各种性质。
（3）团簇理论
　　分形、涨落、混沌等非线性效应在团簇的尺寸由小而大时的表现。
　　结构及构型的互相转化
　　各种可能构型的稳定性
　　团簇，尤其是碳簇的各种结构和拓扑学
　　碳簇的电子能级、能带结构。
文章引用自：

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