基于小波变换的多频静电力显微镜动态过程测量方法

静电力显微镜(electrostatic force microscopy,EFM)具有较高的灵敏度和空间分辨率,在新能源材料静电性质的测量中被广泛应用.时间分辨静电力显微镜技术主要用于材料的动态电学性质测量,该技术中常用的泵浦探测方法存在设备装置复杂、成本昂贵、测量存在不确定性等问题.本文采用直接时域测量方法,减小了测量的实现复杂度,通过应用多频激励或者激励悬臂高阶模态的方法实现了EFM多种参数同时测量和时间分辨率的提高,达到了微秒级的时间分辨率,并应用小波变换对测量得到的探针信号进行分析,实现了对材料动态电学性质的提取.通过应用该技术进行仿真实验,实现了对模拟样品电势衰减过程中的动态电势变化和模拟电池放电过程中的离子运动特征时间等性质的测量.     

静电力显微镜研究二相材料及其界面介电特性

利用静电力显微镜(EFM)研究了二相材料不同区域的介电特性. 制备了高定向石墨/聚乙烯、云母/聚乙烯等层叠状二相材料复合物, 在EFM相位检测模式下观测二相材料过渡界面处, 可以发现二相材料中介电常数较大的材料会引起较大的相位滞后角Δθ该相位滞后角正切值tan(Δθ) 与探针电压V_EFM存在二次函数关系, 且函数二次项系数与样品的介电常数存在增函数关系, 进而可在微纳米尺度下区分不同微区域内材料的介电常数差异. 研究表明EFM 可用于对材料介电特性的微纳米尺度测量, 这对分析复合材料二相界面区域特性有积极意义.     

微纳加工领域新著--《微纳加工及在纳米材料与器件研究中的应用》

微纳加工领域是从事物理学研究与应用开发人员,特别是从事纳米材料与器件研究的物理工作者十分关注和重视的领域。这是由于人们在对纳米材料性能的研究中发现,性能与材料的微观结构尺寸的变化关系密切。例如,随着材料尺度的减小,由于表面效应、体积效应和量子尺寸效应的影响,材料的物理性能和采用该材料制作的器件特性等都可能表现出与宏观体相材料和相关器件特性显著不同的特点。这些特点是材料性能对微观结构尺寸变化的敏感性所导致的结果。正是由于这种敏感性,使得无论在纳米材料科学问题研究还是在纳米器件发展应用中,对材料生长控制和微加工的精确程度都提出了极为苛刻的要求。所以,需要纳米、甚至原子、分子层次的微纳加工技术,以探索材料与器件的新特性。可见,基础科学的研究发展往往需要技术科学提供强有力的支持,要想探索在纳米尺度下物质的变化规律、新的性质和器件功能及可能的应用领域,同样离不开相应的技术手段。微纳加工技术作为当今高技术发展的重要领域之一,是实现功能结构与器件微纳米化的基础。借助微纳加工,人们可以按照需求来设计、制备具有优异性能的纳米材料或纳米结构及器件与装置,发展探测和分析纳米尺度下的物理、化学和生物等现象的方法和仪器,准确地表征纳米材料或纳米结构的物性,探索纳米尺度下物质运动的新规律和新现象。     

纳米材料的分类及其物理性能

 纳米技术是20世纪80年代末迅速发展起来的一门交叉性很强的综合学科,是在0.1-100纳米尺度上研究和利用原子与分子的结构,特性及其相互作用的高新技术。著名的诺贝尔奖获得者费恩曼在60年代就预言:如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,物体就能得到大量的异乎寻常的特性。他所说的物体就是现在的纳米材料。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。1.纳米材料的分类以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代,它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1-100ｎｍ范围。     

超高真空条件下分子束外延生长的单层二维原子晶体材料的研究进展

二维原子晶体材料具有与石墨烯相似的晶格结构和物理性质,为纳米尺度器件的科学研究提供了广阔的平台.研究这些二维原子晶体材料,一方面有望弥补石墨烯零能隙的不足;另一方面继续发掘它们的特殊性质,有望拓宽二维原子晶体材料的应用领域.本文综述了近几年在超高真空条件下利用分子束外延生长技术制备的各种类石墨烯单层二维原子晶体材料,其中包括单元素二维原子晶体材料(硅烯、锗烯、锡烯、硼烯、铪烯、磷烯、锑烯、铋烯)和双元素二维原子晶体材料(六方氮化硼、过渡金属二硫化物、硒化铜、碲化银等).通过扫描隧道显微镜、低能电子衍射等实验手段并结合第一性原理计算,对二维原子晶体材料的原子结构、能带结构、电学特性等方面进行了介绍.这些二维原子晶体材料所展现出的优异的物理特性,使其在未来电学器件方面具有广阔的应用前景.最后总结了单层二维原子晶体材料领域可能面临的问题,同时对二维原子晶体材料的研究方向进行了展望.     

''''98中国青年学者纳米科学研讨会

纳米科学是一门集基础科学和应用科学于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料和纳米生物等科学．纳米科学主要是指在纳米尺度甚至在原子尺度上对物质表面和内部的结构以及单分子表面和内部的结构进行观测、分析研究和加工．近年来,扫描隧道显微镜和原子力显微镜...     

2006-2007年度胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训、王淦昌物理奖获奖项目介绍

1胡刚复奖 项目名称：信息功能纳米材料的制备与物性测量技术 主要完成人：顾长志（中国科学院物理研究所） 高可靠性信息纳米功能材料的制备与物性测量技术是目前纳米科技领域的重要研究课题，特别是关于纳米材料的原位物性测量，以及纳米尺度低维人工结构、     

微纳尺度俄歇电子能谱新技术开发及其应用进展

随着纳米结构材料的广泛应用,新型微纳尺度表征技术成为纳米科学技术发展的重要途径.本文基于局域电子信息全面性的思想,从俄歇电子能谱的原理出发,理论推导出俄歇价电子能谱的简明表述方式,确定俄歇价电子能谱与微观电子结构信息的内在联系和物理意义,建立了俄歇电子能谱探测微区一系列宏观参量的新技术.其中应力测最技术的空间分辨率可优于20 nm,为微纳尺度力学测量的发展提供了重要的方法;非接触性的局域电学性质测量技术,超越了传统电学测量方法的思想框架,实现了无外场驱动的电荷密度分布、电场分布等本征电学性质表征、以及半导体异质结构整个空间区域的能带构造;结构相的测定技术,使纳米微区材料的晶体结构相识别成为可能;半导体微区导电类型测定技术,建续了非接触性电学测量的优点,并且能够灵活地探测分析复杂光电器件结构中不同区域的导电类型分布.通过实际应用于侧向外延GaN不同区域、AlxGa1-xN/GaN超晶格量子阱结构、ZnO纳米颗粒等纳米尺度复杂体系的微区宏观性质探测,获得应力/应变、电荷密度/电场、结构相以及导电类型及其分布等结果,验证了所建立的测量技术的有效性和可靠性.     

微纳器件热传导中的基础物理问题

纳米功能器件中的温度控制已经成为世界各国迫切需要解决的关键技术.在文章中,作者简单回顾了纳米器件发展的历程和现状;以碳纳米管和石墨烯为例,重点介绍了纳米尺度热传导研究中的一些基础物理问题,以及近年来该领域中一些热点研究方向和新奇物理效应.同时,还讨论了影响纳米材料热传导性质的主要物理机制.研究这些系统本身的热传导特性,不仅对于深入理解纳米尺度能量输运的基本物理原理具有重要意义,而且与微纳电子器件的未来发展密切相关,具有广阔深远的应用前景.     

金、银纳米结构中的非局域吸收特性

采用时域有限差分方法（FDTD）研究金、银纳米结构的非局域吸收。对金属材料的Drude-Lorentz模型进行离散差分,详细推导各项迭代系数。研究一维、二维、三维金、银纳米结构的吸收特性。讨论一维分层纳米薄膜吸收率与材料的关系。结果表明：非局域分层介质板仍然符合等效介质理论。在一维、二维情况下,金、银纳米结构的非局域吸收峰只与纳米尺度相关而与材料无关。三维纳米结构的非局域吸收特性不仅与纳米尺度相关还与材料特性相关。三维纳米结构尺度更小,非局域效应表现也更为明显,吸收峰的蓝移也更大。因此,三维纳米颗粒有望在纳米材料以及纳米器件的研究中发挥更大的作用。     

二维二元碳化硅纳米结构的等离激元激发

基于含时密度泛函理论,研究两种构型的二维二元碳化硅（SiC）纳米结构的等离激元激发.SiC纳米结构有两个等离激元共振带.由于键长的改变,相对于硅烯纳米结构和石墨烯纳米结构,SiC纳米结构的两个等离激元共振带分别发生蓝移和红移.一种SiC纳米结构的等离激元共振激发依赖于边界的构型和纳米结构形貌;另一种SiC纳米结构的等离激元共振激发对于边界构型和纳米结构形貌的依赖性降低.沿不同方向激发时,等离激元共振特性基本相同.     

基于含时密度泛函理论的表面等离激元研究进展

纳米粒子的局域表面等离激元(LSP)由于其新颖的光学特性成为目前国内外研究的热点之一. 本文利用含时密度泛函理论(TDDFT)对金属团簇及石墨烯纳米结构中的等离激元激发及调制的物理本质进行了研究. 和宏观大小的材料相比, 由于纳米结构的尺寸和量子受限效应, 纳米结构的等离激元具有一些不同的特征. 在低能共振区, 光谱线发生展宽, 并且发生劈裂. 由于纳米单体间的电磁耦合作用, 使聚合的纳米结构表现出了与单体不同的光学性质. 这些结果为等离激元的调控提供了坚实的理论指导.     

Hydrogen on hybrid MoS2/graphene nanostructures

Transition metal dichalcogenides are rising candidates for the replacement of Pt catalysts in water splitting. In this theoretical study we focus on the hydrogen evolution reaction part of this process and on how hydrogen (H) interacts with MoS₂ nanostructures, free‐standing or positioned on a graphene substrate. Density functional theory calculations confirm the stability of such nanostructures and our results for H on several configurations, from 2D infinite monolayers to quasi‐1D MoS₂ ribbons and quasi‐0D MoS₂ flakes, are presented. We calculate the adsorption energy of H atoms on various sites of the MoS₂ nanostructures, notably at Mo and S active edges. Comparing free‐standing and MoS₂/graphene hybrid systems we find that the effect of the support on the adsorption of H on MoS₂ nanostructures is quite significant when the substrate induces strain. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

硫化锡电子结构和光学性质的量子尺寸效应

基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了硫化锡(SnS)晶体、纳米单层及多层的结构稳定性、电子结构和光学性质.结果表明:由于相对弱的层间范德瓦尔斯力作用,SnS单层纳米片可以像石墨烯等二维材料一样从块体中剥离出来;受制于量子尺寸效应和层间相互作用的影响,SnS的结构稳定性随层数减少而逐渐减弱,其带隙随层数减少而逐渐增大;由于材料的本征激发和吸收取决于电子结构,因此改变SnS材料的层数可以到达调控其光学性质的目的;SnS块体和纳米结构的主要光学吸收峰起源于Sn-5s,5p和S-2p轨道之间的电子跃迁;并且从块体到单层纳米结构,SnS的光学吸收峰出现明显的蓝移.本文的研究将有助于SnS材料在太阳能电池领域的应用.     

Recent progress on borophene: Growth and structures

Boron is the neighbor of carbon on the periodic table and exhibits unusual physical characteristics derived from electron-deficient, highly delocalized covalent bonds. As the nearest neighbor of carbon, boron is in many ways similar to carbon, such as having a short covalent radius and the flexibility to adopt sp² hybridization. Hence, boron could be capable of forming monolayer structural analogues of graphene. Although many theoretical papers have reported finding two-dimensional allotropes of boron, there had been no experimental evidence for such atom-thin boron nanostructures until 2016. Recently, the successful synthesis of single-layer boron (referred to as borophene) on the Ag(111) substrate opens the era of boron nanostructures. In this brief review, we will discuss the progress that has been made on borophene in terms of synthetic techniques, characterizations and the atomic models. However, borophene is just in infancy; more efforts are expected to be made in future on the controlled synthesis of quality samples and tailoring its physical properties.     

Spontaneous emission in micro- and nano-structures

Spontaneous emission of emitters governing the performance of optoelectronic devices is a fundamental phenomenon, and it has strong environment-dependent characteristics. In this article, we mainly review the experimental and theoretical progresses in the control of spontaneous emission by manipulating optical modes with photonic crystals, optical microcavities and metallic nanostructures. The spontaneous emission from emitters in photonic crystals can be modified by the local density of states, and by employing photonic crystals, the devices’ efficiency is enhanced, the angular radiation pattern can be engineered, and highly efficient optoelectronic devices are achieved through decreasing the radiative lifetime. In quantum optical devices, microcavities would alter the lifetime of an excited state through tuning the resonance in the frequency and positioning between the emitters and cavity field, and inducing the emitters to emit spontaneous photons in a desired direction. The emerging enhanced electromagnetic field near metallic nanostructures can help to control and manipulate the spontaneous emission of an emitter. The use of micro- and nano-structures to manipulate spontaneous emission will open unprecedented opportunities for realizing functional photonic devices.     

High-pressure studies on electronic and mechanical properties of FeBO3 (B = Ti,Mn, Cr) ceramics – a first-principles study

Using the density functional theory (DFT) method, the electronic and mechanical properties of perovskites FeBO₃ (B = Ti, Mn, Cr) nanostructures were studied in the pressure range of 0–100 GPa. The band structure studies show the change in the band structure upon substitution of different B cation in FeBO₃ perovskite structure. The density of states spectrum gives the perception of change in the electronic properties of FeBO₃ with the substitution of B cation. The bulk, shear and Young's moduli were calculated and an increase in the moduli is noticed. Moreover, the hardness increases under high pressure. The high-pressure studies of FeBO₃ perovskite nanostructures are explored at atomistic level. The findings show that ductility and hardness of FeBO₃ get increased upon an increase in the applied pressure. The substitution of Ti, Mn and Cr on FeBO₃ shows a significant change in the electronic and mechanical properties.     

High stability of the goldalloy fullerenes:A density functional theory investigation of M₁₂@Au₂₀（M=Na,Al,Ag,Sc,Y,La,Lu,and Au） clusters

Discovering highly stable metal fullerenes such as the celebrated C 60 is interesting in cluster science as they have potential applications as building blocks in new nanostructures.We here investigated the structural and electronic properties of the fullerenes M 12 @Au 20(M=Na,Al,Ag,Sc,Y,La,Lu,and Au),using a first-principles investigation with the density functional theory.It is found that these compound clusters possess a similar cage structure to the icosahedral Au 32 fullerene.La 12 @Au 20 is found to be particularly stable among these clusters.The binding energy of La 12 @Au 20 is 3.43 eV per atom,1.05 eV larger than that in Au 32.The highest occupied molecular orbital-lowest unoccupied molecular orbital(HOMO-LUMO) gap of La 12 @Au 20 is only 0.31 eV,suggesting that it should be relatively chemically reactive.     

基于DNA自组装的金属纳米结构制备及相关纳米光子学研究

纳米光子学是研究光在纳米尺度下的行为以及光和纳米材料相互作用的一门科学.金属纳米材料凭借其独特的表面等离子体效应,可以在衍射极限以下对光进行传递和聚焦,因而是纳米光子学研究的重点.大量研究表明,通过调控金属纳米材料的形貌和成分可以控制表面等离子体的性质,从而对光进行可控调节.近年来,随着DNA纳米技术的发展,又为纳米光子学的发展带来了新的机遇.首先,人们发现不同的DNA序列可以调控金属纳米颗粒的成长,从而影响金属纳米颗粒的形貌和成分.此外,利用DNA自组装技术,可以将金属纳米颗粒组装成为有序可控的纳米结构.因此,基于DNA的纳米光子学研究近年来发展十分迅速.在此背景下,本文对相关研究进行归纳与总结,以期吸引更多研究人员的关注,推动该领域的进一步发展.本文首先介绍了金属纳米结构基于表面等离体实现突破光学衍射极限的原理,然后按照DNA对金属纳米结构的形貌或成分影响方式的不同分成若干部分,对基于DNA的纳米光子学做了系统的综述,最后展望了未来可能的发展方向.     

Simulation of electronic structure of nanomaterials by central insertion scheme

An effective central insertion scheme (CIS) that allows to study the electronic structure of nanomaterials at the first principles level is introduced. Taking advantage of advanced numerical methods, such as the implicitly restarted Arnoldi method (IRAM) and spectral transformation, together with efficient parallelization technique, this scheme can provide accurate electronic structures and properties of one-, two-, and three-dimensional nanomaterials with only a fraction of computational time required for conventional quantum chemical calculations. Electronic structures of several nanostructures, such as single-walled carbon nanotubes of sub-100 nm in length, silicon nanoclusters of sub-6.5 nm in diameter and metal doped silicon clusters, calculated at hybrid density functional level are presented.