2010CB934500纳米结构的新型同步辐射表征技术及若干关键科学问题的研究.doc

项目名称：
纳米结构的新型同步辐射表征技术及若干关键科学问题的研究
首席科学家：
徐洪杰 中国科学院上海应用物理研究所
起止年限：
2010年1月-2014年8月
依托部门：
上海市科委

一、研究内容
本项目将在上海光源现有光束线站的基础上，发展针对纳米结构研究的新型表征技术；运用建立起来的新型同步辐射表征技术，研究纳米结构的若干关键科学问题。研究的纳米结构主要包括有机半导体纳米结构、硅纳米结构和碳纳米结构。以上述的关键科学问题为导向，本项目拟进行以下四个方面的研究：
(1) 发展纳米结构的新型同步辐射表征技术。在上海光源各光束线站现有的基础上，发展高空间/高时间/高能量分辨、高灵敏度，以及原位、动态的新型表征技术，重点发展针对纳米结构研究的高空间分辨X射线微聚焦技术、以及高时间分辨的同步辐射X射线实验技术（XRD、XAFS、SAXS和XEOL）。
(2) 利用新型同步辐射静态表征技术，研究有机半导体纳米结构、硅纳米结构、碳纳米结构稳态情况下的构效关系。对有机半导体纳米单体进行综合表征；研究硅、碳纳米材料表面/界面结构与其性能的关系；研究纳米结构的量子效应与表面效应等。
(3) 利用新型同步辐射原位、动态表征技术，研究硅纳米结构与碳纳米结构非稳态情况下的构效关系。研究硅、碳纳米材料表面/界面结构演化与其性能变化的关系；研究硅、碳纳米结构的成核与生长机制；研究外部环境与测量条件如何影响纳米结构的性能。
(4) 根据实验所得信息，从理论上研究新型同步辐射表征技术的物理机制和工作原理，对表征技术的发展提供理论支持；从理论上研究纳米结构的构效关系，给出实验结果的理论解释，对纳米结构的新现象、新规律进行理论模拟和预测。

纳米结构的新型同步辐射表征技术的研究
(1) 在现有光束线站上，研制纳米结构的原位反应与生长装置，以及测量环境控制系统。原位反应与生长装置包括气相生长装置和液相反应装置，测量环境控制系统可以实时改变温度、压力、气体氛围、外场等测量环境条件。
(2) 在上海光源硬X射线微聚焦光束线站上，研发高空间分辨（100 nm）的X射线微聚焦技术与多种微束X射线表征技术。
(3) 在上海光源XRD光束线站上，发展高时间分辨（亚秒级）的快速XRD谱学技术。
(4) 在上海光源XAFS光束线站和软X射线谱学显微光束线站上，发展高时间分辨（亚秒级）的快速XAFS谱学技术。
(5) 在上海光源SAXS光束线站上，发展高时间分辨（亚秒级）的快速SAXS谱学技术。
(6) 在现有光束线站上，发展高时间分辨（纳秒级）的XEOL谱学技术。

利用新型同步辐射静态表征技术，研究纳米结构稳态情况下的构效关系
(1) 离线生长有机半导体纳米结构、硅纳米结构、碳纳米结构，并对其进行表面修饰或掺杂处理。利用新型同步辐射谱学技术（XRD、XAFS、SAXS、XEOL等），系统表征这些纳米材料的电子结构，表面结构，晶相结构，电学性能以及光学性能等，研究纳米结构的尺寸效应、表面效应以及这些效应对其性能的影响。重点研究硅纳米线、硅量子点在不同尺寸下，以及在不同表面环境与修饰条件下的电子结构和表面结构，探明硅纳米结构的各种表面态对其电子传输与发光性能的影响，从而找到调控硅纳米结构光电性能的方法。例如，硅纳米线在不同介质里具有不同的表面活性，在水溶液和部分有机溶剂中展现出很强的表面活性，但在干燥气氛中却展现出比硅单晶更高的稳定性，而表面活性灵敏度对硅纳米传感器与光电器件来说至关重要。因此本项目将深入研究硅纳米线在不同介质中的表面结构、电子结构、以及化学状态等，探究表面活性变化的机理。例如利用XAFS表征硅纳米线在不同介质中表面基团的电子结构和化学态，并结合常规的表面分析技术（扫描隧道显微镜与光电子能谱等），可以获得完整的硅纳米线表面信息，从而理解表面活性变化的机理。
(2) 纳米结构集合体的表征只能得到集合体的统计平均信息，而且容易受到尺寸和形貌分布的影响，因此无法精确地反映每一个单体的结构与性能。本项目将研究纳米单体的综合表征，以获得纳米单体结构与性能关系的准确信息。重点研究有机半导体纳米单体，利用建立起来的100 nm空间分辨的X射线微聚焦技术，排除合成与分散过程中副产物及溶剂残留物的影响，无损伤地表征有机半导体纳米单体的结构和性能（如元素成份、相组成、电子结构、光学性能）。研究单体结构、尺寸、形貌、官能团等因素对其电子传输与发光性能的影响，从而找到调控有机半导体纳米结构光电性能的方法。例如利用微聚焦的X射线成像技术，聚焦单个有机半导体纳米单体，并结合微聚焦的XRD、XAFS、SAXS谱学技术研究单体的空间结构与电子结构。利用微聚焦的XEOL谱学技术研究有机半导体纳米单体的发光性能，从而明确单体结构、尺寸、形貌、官能团等因素与其发光性能的的关系。

利用新型同步辐射原位、动态表征技术，研究纳米结构相关构效关系
(1) 在线生长硅纳米结构与碳纳米结构，利用高时间分辨的快速XRD、XAFS、SAXS等动态谱学技术实时表征纳米结构，以此为基础研究纳米结构的成核与生长行为（包括碳纳米管和硅纳米线的VLS生长机制、硅纳米线氧化物辅助生长机制、及石墨烯化学气相沉积合成机制），研究纳米材料的表面/界面结构演化过程，以及研究表面/界面结构演化与其性能变化之间的动态关系。例如通过在原位生长环境下实时观测硅、碳和金属颗粒催化剂的相互作用过程，金属颗粒催化剂的结构演化过程，硅、碳在金属颗粒表面的相变过程；同时研究温度、压力、气体氛围等外部条件对硅、碳纳米结构生长过程的影响，从中找到纳米结构可控生长的方法。
(2) 改变纳米结构的测量环境条件（如温度、压力、气体氛围、外场等），利用高时间分辨的XRD、XAFS、SAXS、XEOL等动态谱学技术研究纳米结构在不同物理化学环境下的结构演化过程和所引起的光电性能变化，并在此基础上研究纳米材料结构与性能之间的动力学关系。重点研究硅纳米线、硅量子点、碳纳米管、石墨烯的表面电子结构，及其对各种外界介质（如敏感气体、表面修饰物与吸附物）的动力学反应。研究不同坏境下纳米结构的性能稳定性，探讨纳米化学生物传感与纳米光电应用中的基础问题。本项目还将结合高时间分辨的XAFS和XEOL谱学技术，研究有机半导体纳米结构和硅纳米结构的光学性能，跟踪发光过程，明确发光中心，探究发光机制与发光稳定性。

纳米结构的新型同步辐射表征技术及若干关键科学问题的理论研究
与实验研究相关的理论研究主要分为三个方面。第一个方面研究纳米结构与同步辐射光束的相互作用机理，研究受激纳米结构的光响应特性，模拟计算纳米结构的载流子散射、声子-光子散射、电子-空穴复合、光吸收和能量扩散等过程。第二个方面研究纳米材料结构与性能关系的微观机制，研究纳米材料的自旋与电子结构，计算决定纳米结构性能的关键参数。第三个方面研究纳米结构的生长机制，研究缺陷的产生与修复过程，计算温度、压力、气体氛围、外场等外部条件对生长过程的影响。理论研究将对实验结果提供理论解释，同时对纳米结构的新现象、新规律提供理论预测，并通过实验进行检验。
二、预期目标
总体目标
(1) 通过本项目的实施，发展基于同步辐射光源的新型表征技术。建立空间分辨率达到100nm的X射线微聚焦技术，亚秒级的快速XRD、XAFS、SAXS谱学技术，以及纳秒级时间分辨的XEOL谱学技术等，建立国际水平的纳米结构研究平台。
(2) 利用建立起来的新型同步辐射表征技术，揭示纳米结构的若干关键科学问题。实现有机纳米材料单体结构与性能的综合表征，阐明硅、碳纳米材料表面/界面结构与其性能的关系，以及它们一维纳米结构的成核与生长机制。
(3) 通过本项目的实施，培养和造就一支在纳米科学研究领域具有国际影响力的研究队伍，建立以上海光源为依托的国际知名的纳米科学研究基地。

五年预期目标
(1) 在上海光源X射线微聚焦光束线站已有的基础上，实现高空间分辨（100nm）的X射线微聚焦技术，建立针对纳米结构单体的综合表征技术。
(2) 在上海光源XRD、XAFS、SAXS光束线站已有的基础上，将取谱时间从目前的分钟级升级到亚秒级，实现高时间分辨的快速谱学技术。
(3) 在上海光源多个光束线站上，实现纳秒级时间分辨的XEOL谱学技术，并对XEOL与其它谱学技术进行集成，建立发光纳米结构的表征平台。
(4) 在上海光源多个光束线站上，建立通用的、可拆卸的纳米结构气相生长系统、液相反应系统、原位测试装置和测量环境控制系统。
(5) 理解纳米结构的成核与生长机制，明确外部环境对纳米材料结构与性能的影响，实现纳米结构的可控生长，并探索纳米原型器件的制备原理。
(6) 阐明纳米材料表面/界面结构与其性能之间的关系，以及阐明表面/界面结构演化与其性能变化的关系。理解纳米结构的尺寸效应与表面效应，实现纳米结构的性能调控，并探索纳米原型器件的工作原理。
(7) 建立新型同步辐射表征技术的理论基础，阐明新型同步辐射表征技术的物理机制和工作原理。建立理论模型解释纳米材料表面/界面结构与其性能之间的关系，以及解释表面/界面结构演化与其性能变化的关系。对纳米结构的成核与生长机制给出理论解释。
(8) 发表高质量学术论文100-150篇，申请10-20项发明专利，组织2-3次高水平国际学术会议，依托本项目培养30-50名博士生。
三、研究方案
学术思路
表征技术的发展与科学问题的研究是相辅相成的，疑难科学问题为发展新型表征技术提供导向和动力，而新型表征技术为解答疑难科学问题提供全新的研究平台。首先，我们以纳米结构的若干关键科学问题作为引导，发展新型同步辐射表征技术，开发常规实验室无法实现的实验手段，建立基于上海光源的纳米结构综合表征平台。其次，利用建立起来的同步辐射表征平台，发挥同步辐射光源高强度、宽频谱、相干性好的优势，研究纳米结构的若干关键科学问题，一方面力求解答纳米科学领域中若干悬而未决的难题，另一方面对新型表征技术的有效性与实用性进行检验。下图给出本项目中表征技术发展与科学问题研究之间的依存关系。
表征技术方面，首先以高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度为目标，我们将发展同步辐射X 射线微聚焦技术，把纳米集合体表征技术拓展到可以表征纳米表面/界面、纳米单体的结构与性能；其次以高时间分辨为目标，我们将发展实时、原位检测的动态同步辐射X 射线谱学技术（XRD、XAFS、SAXS 和XEOL），使得针对纳米结构的瞬态、暂态与动力学过程研究成为可能。
科学问题方面，我们选择三类具有重要应用潜力和研究价值的纳米结构，分别为有机半导体纳米结构、硅纳米结构与碳纳米结构,着重研究这些纳米结构的可控生长与性能调控。利用高空间分辨的X 射线微聚焦技术，综合表征有机纳米单体的结构与性能，以及研究硅、碳纳米材料的表面/界面结构与其性能的关系；利用高时间分辨的X 射线谱学技术，研究硅、碳纳米材料的成核与生长机制，以及硅、碳纳米材料的表面/界面结构演化与性能稳定性。最后，在同步辐射实验研究之外，相关的理论研究将同步进行。理论研究分为相互关联的两个部分：一部分探究新型同步辐射表征技术的物理机制和工作原理，为技术途径提供理论支持；另一部分对科学问题的实验结果进行模拟、解释和预测，为实验研究提供理论指导。

技术途径
纳米结构的新型同步辐射表征技术研究
上海光源一期将有七条光束线站投入使用，其中有X射线微聚焦、X射线衍射（XRD）、X射线吸收谱（XAFS）、X射线小角散射（SAXS）以及软X射线谱学显微五条光束线站可用于纳米结构的表征研究。本项目将搭建纳米结构的原位反应、生长与测量环境控制系统；升级X射线微聚焦光束线站，在现有基础上进一步提高同步辐射表征技术的空间分辨能力和能量分辨能力；改造XRD、SAXS和XAFS三条光束线站的控制系统，并建立XEOL表征技术，从而获得高时间分辨的X射线谱学技术。
(1) 纳米结构的同步辐射原位生长与检测装置
我们将在各个光束线站上研制可装卸的纳米材料原位生长装置，该装置可集成到各个线站的检测终端里。在原位生长装置的设计上将解决入射X射线如何导入到反应生长室，以及探测器如何获取出射信号等技术问题。设计方案将考虑原位生长装置对各种纳米材料以及对各个光束线站的通用性。常见的纳米材料生长方式有气相、液相生长两种，我们将搭建这两种原位生长装置，以及环境条件可控的在线检测装置：
① 搭建真空气相CVD原位生长和检测装置。根据光束线站棚屋的位置和空间、以及探测器的具体要求来设计真空气相原位生长装置，让X射线经过铍窗入射气相生长室，并将所有控制生长的开关（如气体流量开关、加热装置开关等）安置于光束线站棚屋之外，以便于更好地控制和检测纳米材料的原位生长；
② 研制液相原位生长和检测装置。根据光束线站棚屋的位置和空间、以及探测器的具体要求来设计液相原位生长装置，让X射线穿过石英液相反应池（反应池的尺寸和壁厚将考虑X射线在石英以及反应溶液内的穿透深度），并设计一个机械手，用于在光束线站棚屋内操纵溶液器皿和石英反应池；
③ 研制测量环境控制系统。在检测装置上增添变温和测温部件，增添施加应力、外场和测量应力、外场的装置，以及铺设气体管道，从而可以在不同的温度、外场、压力、气体氛围等环境条件下对样品进行表征。
(2) 高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度的同步辐射静态表征技术
现有X射线微聚焦光束线站的聚焦光斑尺寸约为2μm，难以达到纳米单体结构表征的分辨率要求。为了表征有机半导体纳米单体，以及研究硅、碳纳米结构的表面/界面，必须将光斑尺寸从微米级进一步聚焦到亚微米级，同时还必须提高样品相对于X射线光束的位置稳定性。随着空间分辨率的提高，能量分辨率与检测灵敏度也必须得到相应的提高以在小尺寸范围内获取足够强度的信号。拟采取的技术途径包括：
① 采用 X 射线波带片与KB 镜，将X 射线微聚焦光束线站的微米级聚焦光斑进一步聚焦，使光斑尺寸小于100nm；
② 对纳米探针装置进行局部控温，选择稳定的装置材料，将温度变化造成的样品相对于X 射线光束的空间飘移控制在10nm 量级；采用激光干涉反馈控制等技术，将振动造成的空间偏移控制在10nm 量级；
③ 在 X 射线微聚焦光束线站上发展高分辨元素扫描成像技术，利用高精度的样品台定位和样品台移动，以及高分辨的X 射线荧光探测器，实现100nm 空间分辨率和10ppb 的元素分布成像；在上述基础上发展100nm 空间分辨率的XRD、XAFS、SAXS、XEOL 等谱学技术，建立纳米单体与表面/界面表征的技术平台。
(3) 高时间分辨的同步辐射动态表征技术
利用同步辐射脉冲光源，在XAFS光束线站和软X射线谱学显微光束线站上建立亚秒级的快速XAFS谱学技术，在SAXS光束线站上建立亚秒级的快速SAXS谱学技术，并在XRD光束线站上建立亚秒级的快速XRD谱学技术。升级这四个光束线站现有控制系统的数据读取、数据传输与装置联动方式，并通过选择合适的时间窗口与能量窗口，实现硅、碳纳米结构的动态表征。
此外，通过自主设计建立XEOL谱学技术，运用同步辐射X射线激发具有发光特性的样品，使样品发射可见光，可见光信号经透镜汇聚和分光后由探测器采集并由光电倍增管放大。结合高时间分辨的XEOL（纳秒级）和XAFS技术，可以研究纳米发光材料的发光过程和发光起源。下图给出高时间分辨的XEOL工作原理图1，利用稳定的第三代同步辐射脉冲光源之间的时间窗口，运用时间-振幅转换器将时间信号转换为电信号，并通过调节电信号来选择测量时段，在选定的时间窗口内测量样品发光及其衰减过程，从而得到高时间分辨的XEOL光谱。

利用新型同步辐射静态表征技术，研究纳米结构稳态情况下的构效关系
通过调节生长参数、表面修饰、掺杂处理等实验手段控制硅、碳纳米材料的表面/界面结构，研究硅、碳纳米材料的表面/界面结构与其性能之间的关系。利用建立起来的高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度的同步辐射表征技术，研究有机半导体纳米单体的结构与性能。
(1) 硅纳米材料的表面/界面结构研究
① 离线生长硅纳米线、硅量子点等硅纳米材料，并用常规实验室技术对其表面/界面结构与性能进行初步表征；
② 通过调节生长参数、表面修饰、掺杂处理等实验手段，调控硅纳米材料的表面/界面性质；
③ 利用建立起来的同步辐射静态表征技术（XAFS、SAXS、XEOL），研究硅纳米线、硅量子点在不同尺寸、不同表面环境和修饰条件下的表面/界面物理化学状态、空间结构与电子结构，明确硅纳米线、硅量子点的表面/界面结构对其发光和电荷传输性能的影响。利用XAFS测量硅纳米线、硅量子点的表面基团结构、化学态和电子结构等信息，结合传统的表面分析技术（如STM，XPS，ATR-FTIR），给出硅纳米结构完整的表面信息。利用SAXS技术测量硅量子点的尺寸分布、颗粒度等结构信息，利用XEOL技术表征硅量子点的发光性能，建立硅量子点尺寸、表面结构、表面化学态、表面修饰等因素与其发光性能的关系。构筑硅纳米线原型器件（如4－point、FET等结构）实现硅纳米线的电荷传输性能表征，并结合X射线微聚焦的XAFS技术表征器件中硅纳米线的表面/界面性质，建立硅纳米线表面/界面结构与电荷传输性能的关系。
(2) 碳纳米材料的表面/界面结构研究
① 离线生长碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料，并用常规实验室技术对其表面/界面结构与性能进行初步表征；
② 通过调节生长参数、表面修饰、掺杂处理等实验手段，调控碳纳米材料表面/界面性质；
③ 利用建立起来的同步辐射静态表征技术（XAFS）与上述研究硅纳米线的方法，研究碳纳米管、石墨烯在不同尺寸、不同表面环境和修饰条件下的表面/界面物理化学状态、空间结构与电子结构，明确碳纳米管、石墨烯的表面/界面结构对其电荷传输性能的影响。
(3) 有机半导体纳米单体的结构与性能研究
① 对离线合成的有机半导体纳米集合体进行分散处理，从而得到有机半导体纳米单体；
② 利用在X射线微聚焦光束线站上建立起来的高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度的X射线微聚焦技术（X射线成像、XAFS、XRD、SAXS）表征有机半导体纳米单体，检测有机半导体纳米单体的元素组分、掺杂元素分布、相组成、结晶度、化学态等；利用XEOL技术表征有机半导体纳米结构的发光性能，在单体的层次上研究有机半导体纳米结构的尺寸效应、表面效应、官能团效应以及这些效应对其发光性能的影响，并归纳出有机发光纳米单体中结构与性能之间的关系；
③ 在线改变样品所处的测量环境条件（温度、外场、气体氛围等），研究测量环境条件对有机半导体纳米单体的发光性能及其稳定性的影响。

利用新型同步辐射原位、动态表征技术，研究纳米结构相关构效关系
运用自主研制的同步辐射原位生长和检测装置，在线生长硅、碳纳米材料。利用建立起来的高时间分辨的同步辐射动态表征技术，研究这些纳米材料的成核与生长机制；追踪不同环境下这些纳米材料的表面/界面结构演化，及其所造成的光电性能变化。
(1) 碳纳米管和硅纳米线的VLS生长机制研究
① 运用真空气相原位生长装置在线生长碳纳米管；
② 利用时间分辨的同步辐射动态表征技术，研究碳纳米管的成核与生长机制。通过快速XAFS、XRD、SAXS谱学技术检测碳纳米管和催化剂（Fe、Co、Ni等）的相组成、化学态、结晶度、颗粒度和电子结构等参数随时间的变化，分析碳纳米管和催化剂之间的物质与电荷交换，力求揭示碳纳米管的VLS生长过程与机制；
③ 在上述研究基础上，通过外加电场等手段实现碳纳米管的定向生长，利用高时间分辨的同步辐射动态表征技术，实时监测定向碳纳米管的成核与生长，力求揭示碳纳米管的VLS定向生长过程与机制；
④ 利用上述方法研究硅纳米线的VLS生长过程和机理，并找到与CMOS工艺相匹配的不含金的催化剂，实现硅纳米线的可控定向生长。
(2) 硅纳米线的氧化物辅助生长机制研究
① 运用真空气相原位生长装置，使用氧化物辅助生长工艺在线生长硅纳米线；
② 利用快速同步辐射动态表征技术（XRD、XAFS、SAXS），实时监测硅纳米线的成核与生长过程。通过检测Si和SiOx的化学态、结晶度、颗粒度和电子结构等参数随时间的变化，探究氧在不同时间段所起的作用，力求揭示硅纳米线的氧化物辅助生长机制；
③ 在上述研究基础上，通过改变生长环境对硅纳米线进行掺杂，利用高时间分辨的同步辐射动态表征技术，监控Si和掺杂元素之间的化学键形成，力求揭示掺杂硅纳米线的氧化物辅助生长机制。
(3) 硅、碳纳米材料的表面/界面结构演化研究
① 改变硅、碳纳米材料的生长条件，如改变温度、外场、压力与气体氛围，在生长过程中诱使硅、碳纳米材料的表面/界面结构发生变化和对硅、碳纳米材料的表面/界面进行有目的地处理和修饰，例如表面官能团分子修饰、生物活性分子修饰等；
② 利用高时间分辨的同步辐射动态表征技术（XRD、XAFS、SAXS、XEOL），研究硅、碳纳米材料表面/界面结构在生长及修饰过程中演化的动力学过程。通过检测表面/界面化学状态、空间结构与电子结构等参数随时间的变化，以及对应的光电性能变化，力求明确硅、碳纳米材料的表面/界面结构演化与性能变化之间的关系。
③ 利用高时间分辨的同步辐射动态表征技术观察硅、碳纳米材料表面/界面结构及其表面修饰官能团在外界环境条件（如温度、压力、不同气氛等）改变时化学状态、空间结构与电子结构等参数随时间的变化，以及对应的光电性能稳定性，明确影响纳米结构性能稳定性的环境因素。

纳米结构的新型同步辐射表征技术及若干关键科学问题的理论研究运用第一性原理和分子动力学模拟等理论工具，阐明同步辐射与介观多体系统相互作用的关键理论问题，揭示纳米材料构效关系的微观机理。纳米结构中的电子状态呈现出很强的局域关联性，需要发展现有的第一性原理计算方法纳入局域关联与准粒子态的效应。同时，需要在理论上阐明介观多电子关联体系对高相干X 射线的响应特性，通过理论分析与数值模拟，理解新型同步辐射表征方法如何获取纳米结构的重要信息，为本项目同步辐射表征技术的实验工作提供理论支持与指导，并在上海光源建立相应的计算平台。
(1) 纳米结构与同步辐射的相互作用机理研究
① 发展含时密度泛函理论，考虑内壳层电子的效应，通过 Bethe-Salpeter 方程计算电子-空穴关联效应，揭示受激纳米结构的X 射线响应特性的微观机理。
② 基于第一性原理与多体量子理论，研究纳米材料的载流子散射、声子-光子散射、电子-空穴复合、光吸收和能量扩散等关键计算问题；开展介观多体量子系统的含时演化及X 射线响应特性的数值模拟研究，建立针对纳米结构的X射线光谱学软件计算平台。
(2) 纳米材料结构与性能关系的微观机理研究
① 由于量子受限效应、表面/界面结构、表面官能团的吸附、掺杂与缺陷等诸多因素的影响，纳米结构的电子状态会呈现出很强的局域关联性。运用量子模型计算，分析各种准粒子状态的存在条件及属性特征。
② 发展基于 GW 近似和SXLDA 修正的第一性原理方法，引入电子的高阶关联与屏蔽效应，改进局域密度近似、广义梯度近似带来的带隙计算误差。
③ 研究硅纳米线、硅量子点、碳纳米管、石墨烯等纳米材料的电子与自旋结构，计算其能隙、电子有效质量等关键参数。
(3) 纳米结构成核与生长机制的研究
① 运用基于经验作用势的分子动力学模拟，从理论上研究纳米结构成核与生长的动力学过程，研究温度、外场、压力等外部条件对成核与生长的影响。
② 运用第一性原理结合分子动力学模拟，从理论上研究纳米结构导入掺杂物后的生长过程，以及缺陷的产生与修复过程。

创新点和特色
(1) 同步辐射光源具有高强度、宽频谱、相干性好的独特优势，适合于表征信号强度较弱、信号分布较宽的纳米结构。此外，上海光源拥有多个表征分析手段，可以获得从空间结构、电子结构到光电性能的全面而细致的实验信息。
(2) 本项目发展的新型同步辐射表征技术，基本上都是常规实验室里无法实现的，在纳米结构的表征分析上具有常规表征技术无法比拟的优势，因此是研究纳米结构的特有手段，是对常规纳米表征技术的重要补充和提高。
(3) 本项目发展的高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度的同步辐射表征技术使有机纳米单体的无损伤综合表征成为可能。
(4) 本项目发展的高时间分辨的同步辐射表征技术使纳米结构的实时、原位、动态表征成为可能。
(5) 同步辐射实验研究与相关理论研究相结合，有利于深刻理解和解答纳米结构的若干关键科学问题。

取得重大突破的可行性分析
首先，在空间分辨方面，上海光源X射线微聚焦光束线站采用了高亮度的波荡器光源，已可实现2μm以下的聚焦光斑尺寸，同时光通量达到1010-1011光子/秒。将X射线光束进一步聚焦到100nm，技术上可以实现，同时光通量预计仍能保持108光子/秒，完全满足本项目的实验要求。其次，在时间分辨方面，上海光源的高强度脉冲光源确保了快速X射线谱学技术的可行性，时间窗口和能量窗口的高度可调性也有利于完善原位、动态的表征技术。最后，高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度、高时间分辨的新型同步辐射表征技术将为纳米结构的研究提供全新、独特并且功能强大的实验手段，有望在有机半导体纳米单体的综合表征，硅、碳纳米结构的表面/界面表征及其成核与生长机制等课题上取得重大突破。这些研究将大大提高人们对纳米世界的认识，为纳米科学技术的应用奠定坚实的基础。

项目组织形式
项目实行首席科学家负责制，成立以首席科学家为组长的项目执行小组，把握学术方向，协调解决有关问题，推进项目顺利实施；同时成立战略研究小组，瞄准国际最新研究前沿，为总体目标的实现提供信息指导；定期开会讨论，交流思想心得，实行资源共享；与国际上的其它同步辐射光源合作，促进项目的顺利进行；成立资深顾问组，聘请国内外资深专家作为项目顾问，对项目的进展提出指导意见。

课题设置思路
本项目以实验研究为主，实验研究与理论研究并行，发展针对纳米结构的新型同步辐射表征技术，发展高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度与高时间分辨的表征手段；利用建立起来的新型同步辐射表征技术，针对具有重要应用潜力和研究价值的有机半导体纳米结构、硅纳米结构与碳纳米结构，研究这些纳米结构的若干关键科学问题，力求揭示纳米科学中一些悬而未决的难题；同时进行的相关理论研究将为实验研究提供指导与支持。基于以上考虑，建议设置以下四个研究课题：
课题1. 纳米结构的新型同步辐射表征技术的研究
课题2. 基于同步辐射静态表征技术的若干纳米材料结构与性能关系的研究
课题3. 基于同步辐射动态表征技术的若干纳米材料结构与性能关系的研究
课题4. 基于同步辐射表征技术的若干纳米材料构效关系的理论研究

课题间的有机联系
以上课题相互依存，具有表征方法的建立（课题1）􀃆表征方法的应用（课题2、3）􀃆表征方法的理论（课题4）这样一个逻辑顺序。课题1研究本项目所依赖的研究手段，将发展高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度与高时间分辨的新型同步辐射表征技术，这是课题2、3的前提和基础，只有在课题1的基础上，才能完成课题2、3的研究目标；而课题2、3的研究结果反过来将为课题1的研究工作提供重要的反馈信息。课题2研究纳米结构的静态表征，将充分利用课题1发展的高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度的同步辐射表征技术。课题3研究纳米结构的动态表征，将充分利用课题1发展的高时间分辨的同步辐射表征技术。课题2、3之间又是相互补充和借鉴的，其研究成果将共同揭示出纳米材料完整而细致的结构与性能关系的信息。因此，课题2、3既是课题1的导向，又是课题1的应用，课题1的重要性也将充分体现在课题2、3的研究成果中。课题1、2、3为实验研究，而课题4贯穿课题1、2、3，是并行的相关理论研究。课题4为课题1提供理论依据，确保课题1的可行性；同时课题4为课题2、3提供理论解释与指导，将推进课题2、3的研究工作。

课题1 ： 纳米结构的新型同步辐射表征技术的研究
研究目标：
针对纳米结构研究，在上海光源的现有基础上进一步提高同步辐射表征技术的空间与时间分辨能力，空间分辨能力达到100nm，XRD、XAFS、SAXS 的采谱时间缩短至亚秒级，XEOL 的时间分辨能力达到纳秒级。实现纳米结构的在线实时、原位与动态表征。
研究内容：
(1) 研制纳米结构的同步辐射原位生长和检测装置
① 在上海光源研制真空气相原位生长和测量环境可变的检测装置；
② 在上海光源研制液相原位生长和检测装置。
(2) 发展高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度的同步辐射表征技术
① 将 X 射线微聚焦光束线站的微米级聚焦光斑进一步聚焦到亚微米量级；
② 将温度变化、振动干扰造成的样品相对于X 射线光束的空间飘移控制在10nm 量级；
③ 在X射线微聚焦光束线站上发展高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度的元素扫描成像技术，以及XRD、XAFS、SAXS、XEOL等谱学技术。利用高精度的样品台定位和样品台移动，以及高分辨的X射线荧光探测器，实现100nm空间分辨率和10ppb的元素分布成像；在上述基础上搭建针对纳米单体的综合表征平台。
(3) 发展高时间分辨的同步辐射表征技术
① 在XAFS光束线站和软X射线谱学显微光束线站上发展亚秒级的快速XAFS谱学技术；
② 在SAXS光束线站上发展亚秒级的快速SAXS谱学技术；
③ 在XRD光束线站上发展亚秒级的快速XRD谱学技术；
④ 在多个光束线站上发展纳秒级时间分辨的XEOL谱学技术。
经费比例： 30%
承担单位： 中国科学院上海应用物理研究所、中国科学技术大学
课题负责人： 徐洪杰
学术骨干： 余笑寒、姜政、李晓龙、郑丽芳、吴衍青、罗震林

课题2 ： 基于同步辐射静态表征技术的若干纳米材料结构与性质关系的研究
研究目标：
揭示上述纳米结构的尺寸、形貌、缺陷、掺杂等因素对其光电性能及表面性质的影响；揭示有机半导体纳米单体的结构与性能之间的关系。
研究内容：
利用高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度的同步辐射表征技术，研究硅、碳纳米结构的表面/界面结构与其光电性能的关系，研究这些纳米结构的量子效应、表面效应对其光电性能及表面活性的影响；研究有机半导体纳米单体的结构与性能，检测有机半导体纳米单体的元素组分、掺杂元素分布、相组成、结晶度、化学态和光学性能等，在单体的层次上研究其微观结构与宏观性能之间的关系。
经费比例： 28%
承担单位： 苏州大学、中国科学院理化技术研究所
课题负责人： 孙旭辉
学术骨干： 路建美、付绍云、李嫕、李艳青、李有勇、欧雪梅

课题3 ： 基于同步辐射动态表征技术的若干纳米材料结构与性质关系的研究
研究目标：
揭示碳纳米管和硅纳米线的VLS生长机制及硅纳米线的氧化物辅助生长机制；阐明硅、碳纳米材料的表面/界面结构演化与其光电性能变化之间的关系，理解这些纳米结构的性能稳定性机制。
研究内容：
利用高时间分辨的同步辐射表征技术以及自主研制的纳米结构原位生长和检测装置，研究碳纳米管和硅纳米线的VLS生长机制，研究硅纳米线的氧化物辅助生长机制；研究硅、碳纳米结构在不同环境下的表面/界面结构演化以及相应的光电性能变化；以上述实验结果作为基础，研究硅、碳纳米材料的可控生长，研究通过控制硅、碳纳米材料的表面/界面结构对其光电性能进行有效调控。
经费比例： 28%
承担单位： 中国科学院上海应用物理研究所、苏州大学
课题负责人： 周兴泰
学术骨干： 朱秀林、吴国忠、王穗东、孙宝全、张秀娟、杨树敏

课题4 ： 基于同步辐射表征技术的若干纳米材料构效关系的理论研究
研究目标：
阐明新型同步辐射表征技术的工作原理，理解新型同步辐射表征方法如何获取纳米结构的重要信息；从理论上阐明纳米材料的表面/界面结构与其性能之间的关系，以及给出纳米结构成核与生长的理论解释。
研究内容：
利用第一性原理、分子动力学模拟等先进理论工具和大规模数值模拟方法，研究硅、碳及有机半导体纳米材料的结构与其光电性能关系的微观机理；研究这些纳米材料对相干X 射线的响应特性，研究受激纳米材料的结构、电子及自旋状态的含时演化及X 射线谱学特征；从理论上研究纳米材料在吸附官能团、导入掺杂与缺陷等条件下的性能变化，理论预测具有特殊光电性能的新型纳米结构，并通过实验进行检验；从理论上研究纳米结构成核与生长的动力学过程，研究温度、外场、压力等外部条件对成核与生长的影响。
经费比例： 14%
承担单位： 中国科学技术大学、中国科学院上海应用物理研究所
课题负责人： 李良彬
学术骨干： 梁好均、怀平、韩聚广、宋波
四、年度计划
年
度
研究内容
预期目标

第

一

年
1) 设计真空气相CVD原位生长和检测装置，研究基于软X射线谱学显微实验站发展纳米结构单体和表面的表征技术，研究快速XAFS、XRD和SAXS实验方法。
2) 研究硅量子点的控制合成及表面修饰和硅纳米线的可控制备和修饰；利用传统纳米表征技术（SEM、TEM、EDS、AFM、STM、XPS、Raman、PL等）获得以上纳米材料的形貌、结构、组成、表面结构、光学性能等综合信息，利用新型同步辐射谱学技术（XAFS、 XRD、SAXS等），系统表征这些纳米材料的电子结构，表面结构，晶相结构等。
3) 研究快速XAFS、XRD和SAXS实验方法：在现有的XAFS扫描和探测数据采集的基础上，研究设计进一步提高扫描和数据采集速度的方案；研究快速的XRD和SAXS实验方法。研究在上海光源现有线站建立XEOL实验技术，开展XEOL装置的方案设计。
4) 结合第一性原理计算和经典分子动力学模拟方法，模拟和预测碳、硅、有机和生物分子构成的纳米材料在静态下的微相结构。
1) 完成真空气相CVD原位生长和检测装置的设计；完成全电子产额实验方法建立，开展初步的NEXAFS实验。完成硬X射线微聚焦系统的设计，完成改善光束稳定性方案设计；完成快速XAFS实验方案；完成XEOL实验装置设计。
2) 实现硅量子点、硅纳米线表面功能化修饰，利用传统纳米表征技术和现阶段上海光源同步辐射表征技术对硅、碳纳米结构进行综合表征。
3) 利用传统纳米表征技术对硅、碳纳米结构进行动态的综合表征。
4) 理解在纳米微结构形成过程中各类非健合分子间弱相互作用的彼此制约、竞争和纳米微结构形成过程中所伴随的熵-焓竞争和各项对自由能的贡献等基础性问题，研究纳米结构的尺寸对纳米结构的物性关系和影响。
5) 完成年度报告，发表高水平学术论文20-30篇、申请专利2-3项。

第

二

年
1) 完成真空气相CVD原位生长和检测装置的加工、安装、测试，真空气相CVD原位生长和检测装置与同步辐射光束线站的联调和实验和液相原位生长和检测装置的初步方案设计；将纳米尺度软X射线聚焦光束与NEXAFS等实验方法结合，建立纳米结构单体和表面结构的表征方法；完成快速XAFS实验方法控制和数据获取系统的改进，实验设备安装、调试和初步实验，快速XRD和SAXS实验方案的研究和设计和XEOL实验装置研制。
2) 利用X射线激发发光光谱（XEOL）表征硅量子点和硅纳米线的发光性能，探明发光中心和发光起源；研究纳米结构的尺寸效应（量子效应）以及对其光电性能的影响；研究碳纳米管的表面改性和生物、化学修饰和有机纳米单体的可控合成。
3) 开始开展硅纳米线和碳纳米管的气相在线生长研究。
4) 进一步向纳米结构引入外场，研究外场调控下的纳米微机构形成机理。
1) 完成真空气相CVD原位生长和检测装置的研制，开始初步的原位生长、表征实验；建立基于软X射线的纳米结构单体和表面结构的表征方法，开始初步应用。硬X射线微聚焦线站聚焦光斑尺寸小于0.5微米，光束稳定性明显改善；初步建立快速XAFS实验方法，时间分辨达到秒级；完成快速XRD和SAXS实