金团簇结构及转变动力学的超快电子显微学研究

Atomic clusters are of great scientific and technological interest due to their important role in bridging many fields of physics and chemistry and as well their increasing applications in catalysis, energy, etc. The accurate structural determination and dynamic study of the clusters are critical to understanding the dependence of the properties on cluster size, shape, and atomic arrangements. Because of their ultrasmall size, atomic clusters often exhibit continuous structural instability, which thus makes the experimentally accurate structural determination extremely difficult. In this research project, we will perform the structural and dynamical study of gold clusters using new-generation, 4D ultrafast transmission electron microscopy. We will develop the advanced technical methods for imaging gold clusters via 4D-TEM, e.g., exploring the optimized excitation conditions of probe pulses and pump pulses. On this basis, the initial and ground-state structures of gold clusters will be determined to reveal the effect of geometric and electronic magic numbers on cluster stability; On the ultrafast time scale, we will also investigate the structural transformation process and the intermediate phase formation to uncover the dynamic mechanism. This project will be of important help for the advancement of fundamental sciences such as physics, chemistry, etc. and as well large-scale preparation and application of high-performance cluster materials.

原子团簇具有优异的物理、化学性能，在催化、能源等领域有重大应用前景。开展团簇结构和动力学表征研究有助于理解材料形核和生长规律、揭示凝聚态材料的物理、化学性能的根本产生机制。由于原子团簇的尺寸极小和结构不稳定性，实验上的团簇结构确定非常困难。本项目将利用新一代的4D超快透射电子显微镜开展金团簇的结构和动力学研究。首先发展技术方法，探索适合金团簇研究的探针脉冲和泵浦脉冲的优化实验条件。在此基础上研究金团簇的初态和基态稳定结构，揭示几何幻数和电子幻数对团簇稳定性的作用规律；在超快时间尺度下观察金团簇的结构转变过程和中间相的形成，揭示动力学转变规律。本研究将有助于推动物理、化学等基础科学的发展，同时能为该高性能团簇材料的大规模制备、应用提供重要机制参考。

理解纳米颗粒/团簇材料微结构与其优异物理、化学性能与之间的根本关联，对于指导具有特定性能、功能的纳米材料和纳米器件的可控性制备具有非常重要的意义。与以往主要聚焦在纳米材料的静态原子结构和电子结构性能的表征研究不同，本项目利用了近年来发展起来的4D超快电子显微学技术手段，对一系列具有不同尺寸、形貌、结构及支撑衬底的纳米颗粒/纳米晶薄膜开展了系统深入的电子/声子反应及点阵动力学表征研究。首先通过大量的探索性研究工作，确定了适合纳米结构超快TEM表征的优化探针脉冲及泵浦脉冲激发条件。接下来，在开展超快TEM表征的同时也利用了（非时间分辨）原位TEM对合成的纳米颗粒开展了初步表征，两者结合可以更好地理解复杂的结构动力学过程。对于纳米金薄膜电子/声子反应动力学的研究即用到了这种关联性手段，通过把原位加热技术引入到超快TEM中，精确确定了该纳米金薄膜的电声耦合常数。同时通过定量研究发现了即便在非强束飞秒激光泵浦条件下，纳米金薄膜中仍出现了非热平衡驰豫动力学过程，该发现为定量研究电子-声子反应过程中非平衡动力学的贡献提供了重要参考。尤为重要的是，我们专门为纳米结构动力学表征发展了一种超快高灵敏度暗场成像方法。与常规的超快明场/暗场成像手段不同，该方法可以用于直接观测纳米颗粒内部低配位数团簇位点的声子动力学演化细节。基于该方法，我们对一系列金纳米颗粒单体及聚合体开展了深入研究。观察到了纳米颗粒内部存在的异质结构动力学特性，系统阐述了其振动特性受配位数、颗粒形貌，结构及微取向变化，支撑衬底等的影响规律。这些研究结果发现对于理解纳米催化过程中活性位点的作用行为以及准确揭示纳米催化机制提供了一个重要的渠道参考。本项目对于金纳米颗粒/薄膜结构动力学行为的综合表征与定量阐述，也有助于深入理解纳米芯片及纳米传感器中的复杂声子热输运行为，进而为实现高性能纳米功能器件的可控制备提供了有价值的参考。