中国科学院物理研究所表面物理国家重点实验室创新研究群体在纳米团簇研究方面取得重大成果。

薛其坤研究员在办公室

　　相同纳米团簇在平面上严格的周期排列可以构成一种自然界不存在的凝聚态物质形式，它有些类似于两维晶格结构，但晶格格点上的原子被纳米团簇所取代，这些团簇由几个甚至几十个原子组成，原子尺度上的尺寸涨落或局域的排列非周期性都将导致其性质的戏剧性变化，因此团簇大小均匀和周期性排列是2个基本要素。多年来，很多人员做了大量的艰苦努力，试图制备尺寸相同且空间分布排列具有严格周期性的纳米团簇阵列，但难度很大。

　　人们发现，具有特殊个数（幻数）的原子组成的团簇具有显著的稳定性。中国科学院物理研究所表面物理国家重点实验室薛其坤和贾金峰领导的研究小组创造性地利用“周期纳米模板＋幻数原子成簇现象”的方法，成功地在硅衬底上制备出了近于完美的金属纳米团簇二维周期结构，为探索一些新的基本物理现象或规律（如纳米结构的量子效应和非常光学性质、纳米磁性、磁性二维晶格的磁有序、自旋极化电子输运等）提供了较为理想的物理系统。由于金属电子费米波长在1nm左右，这类团簇构成的器件有希望工作在室温——这是很多电子器件特别是量子器件大规模应用所必须的一个条件，将会在纳米电子学、超高密度信息存储、纳米催化、量子计算和信息处理等很多方面有潜在的重要应用价值。该方法简单实用，用一般的分子束外延技术就可以很容易地在2～3英寸的基板上实现这种结构的大规模生长，其面密度高达1013个/cm2。这种方法还具有很好的普适性，适用于In、Ga、Al、Mn、Ag等多种金属及其合金，通过改变金属的蒸发量，可以方便地对纳米团簇的大小、组分及其晶格的类型进行精确的控制。到目前为止他们已经制备了16种这类人造二维晶格，并显示出很好的稳定性，其热稳定性均在250℃以上（最高达550℃），和目前工业上大规模广泛应用的硅工艺技术相容。

　　他们以高度有序的Si(111)-7×7清洁表面为模板，在超高真空环境下将金属原子蒸发在上面，扫描隧道显微镜原位观察到在1.5mm×4mm的面积内形成了约1011个均匀的金属纳米团簇，每一团簇座落于硅晶体表面单胞的半边，而使另半边空着。试验中要保持模板表面温度在100～200℃之间，而金属原子的蒸发量也不能过多，每分钟约为百分之一个原子单层。

　　另外，他们还与美国再生能源国家实验室张绳百博士、橡树岭国家实验室张振宇博士以及加拿大国家研究局的李志强博士合作，利用扫描隧道显微镜/谱和第一性原理总能量计算，确定了金属In团簇的原子结构，澄清了周期点阵的稳定性及形成原因。这是目前为止表面上团簇的第一个令人信服的原子结构模型。它对理解其电子结构、建立宏观物性和微结构关系以及发现新的效应奠定了基础。

　　该项工作得到了国家自然科学基金委员会的大力支持，该群体于2000年获得创新研究群体科学基金资助，小组负责人之一薛其坤研究员是1996年度国家杰出青年科学基金获得者，海外合作者中张振宇博士也是海外青年学者合作研究基金获得者。

　　他们的工作先后发表于《Phys. Rev. Lett.》、《Appl. Phys. Lett.》、《Phys. Rev. B.》和美国物理学会《March Meeting》（2002），并先后被美国物理学会《Phys. Rev. Focus》 以“The Magic of Nanoclusters”为题做了介绍; 美国《Science News》以“Sowing neat rows of seeds on silicon”为题进行报道；英国《Nature Physical portal》作为每周物理研究的Highlight以“In brief: just like that”为题做了介绍; 英国《Nature Materials update》以“团簇克隆（Cloning clusters）”为题专门报道。另外，美国材料学会《MRS Bulletin》（2002年5月15日）、美国《Information Satellitte》、英国《Electronic Engineering Times》等杂志和媒体也对该项成果及其可能的应用前景进行了报道和介绍，引起国际学术界广泛关注。