质量选择团簇的等离激元及其原子数依赖的量子行为研究

Clusters are quantum systems at atomic level. Neither the structure nor the properties of clusters are simple accumulations of individual atoms. However, each atom in clusters assumes different "roles" and cooperates with each other. Clusters have more abundant atomic structures due to the absence of restrictions on the long-term procedure of macrocrystals, which make the clusters have different electronic structures from bulk materials and two-dimensional materials. Therefore clusters exhibit different physical or chemical properties from condensed matter or molecules. Understanding the electronic structure of clusters and its variation with element composition, atomic structure and cluster size can bring infinite possibilities of new materials and materials for material science. The plasmon resonances of the cluster is a direct reflection of its atomic structure and electronic structure. This project intends to study the plasmon resonances of size-selected cluster and its size dependent quantum behaviors, exploring the mechanism of the variations of plasmon resonances and electronic structures against cluster size, which will help us to better understand the physics mechanisms of cluster properties for potential applications.

团簇是原子级的量子体系，团簇的结构和性质都不是单个原子的简单累加，其中各个原子各自承担不同的“角色”，且相互“配合”。由于没有限制宏观晶体的长程序使团簇具有更加丰富的原子结构，从而使团簇具有与块体材料以及二维材料大不相同的电子结构，表现出不同于凝聚态物质与原子及分子的奇异性质。了解团簇电子结构及其随元素组成、原子结构、团簇尺寸的变化规律，可以为材料科学带来无限可能的新材料和新物质。团簇的等离激元是团簇原子结构以及电子结构的直接反映，本项目拟通过对质量选择团簇等离激元及其原子数依赖的量子行为研究，探究其变化以及跳变机理，更深入地了解团簇的电子结构和结构特征的尺寸效应以及相关的奇异特性的物理机理，更好的挖掘团簇的潜在应用价值。

团簇是原子级的量子体系，具有与块体材料大不相同的电子结构，表现出与尺寸相关的奇异性质。了解团簇电子结构及其随元素组成、原子结构、团簇尺寸的变化规律，可以为材料科学带来无限可能的新材料。团簇的等离激元是团簇原子结构以及电子结构的直接反映。本项目围绕质量选择原子团簇的制备、等离激元特性、电子结构、奇异性质及其随原子数的演变规律和物理机理等方面开展研究工作，并取得了系列创新成果，主要有：1.研发出可产生强团簇束流的团簇源和能有效保持团簇尺寸和结构特征的团簇溶液收集装置，实现了原子数和结构可控的多种原子团簇的批量制备。2.制备出系列不同尺寸的金团簇和铋团簇，利用STEM-EELS测量得到了团簇的等离激元特性，阐明了团簇等离激元和电子结构随原子数变化的演变规律和物理机理。3.发现Ag团簇/碳黑在电催化氮还原制氨和Cu团簇/TiO2光催化降解苯酚方面表现出优异性能，获得了Ag团簇和Cu团簇的催化性能数据库，筛选得到了具有最优催化性能的团簇尺寸。本项目所取得的研究成果为深刻理解团簇的等离激元、电子结构和奇异特性及其尺寸效应和相关物理机理提供了重要的科学依据，并为批量制备原子数和结构可控的团簇材料提供关键技术，对于研发基于原子团簇的新材料和微纳量子器件具有重要应用价值。本项目所取得的研究成果已在国际学术期刊上发表论文7篇，并获得3项国家发明专利授权。