分子尺度的量子设计与调控

1、项目名称： 分子尺度的量子设计与调控分子尺度的量子设计与调控 首席科学家： 杨金龙杨金龙 中国科学技术大学中国科学技术大学 起止年限： 2011.12011.1 至至 2015.82015.8 依托部门： 中国科学院中国科学院 二、预期目标 1、总体目标、总体目标 利用高分辨检测和控制技术，对分子尺度体系的结构、电子态、自旋态和 光子态进行表征、检测与调控，发挥多学科交叉、实验与理论紧密结合的优势， 建立和发展新的量子测量和控制技术，以期实现分子尺度上在空间、能量、时 间域的高分辨率、高灵敏表征的多功能动态检测和控制；揭示分子尺度体系中 光电转换以及与表面相关的电荷转移与能量转换动力学过程、以

2、及量子态的动 力学演化过程；探索与了解基于分子能级和波函数工程的量子器件的设计原理 和工作原理，为构筑具有我国自主知识产权的未来信息技术的科学基础做出贡 献。 2、五年预期目标、五年预期目标 1)建立与发展高分辨率局域探针显微术与波谱、光谱等高灵敏谱学联用技术， 探索量子调控表征与测量的新原理和新方法，创建从空间、能量、时间三 方面对纳米体系的时空动态行为进行高分辨高灵敏的表征、检测与调控的 实验研究平台。 2)通过物理和化学方法对分子尺度体系进行结构设计与调整，构筑特定构型 和性能的新分子体系、分子纳米光电体系、石墨烯及其复合体系，发展一 些制备量子电子器件的关键技术，揭示一些新量子效应、协

3、同效应、界面 效应，实现高效的光电器件和应用。 3)理解磁性分子和耦合体系中的电子态、自旋态、电子-电子相互作用、自旋- 轨道相互作用。实现分子量子体系中电子态与自旋态动态检测和调控，揭 示与量子输运特性相关的单分子电子器件和自旋器件的运作原理。 4)掌握分子隧道结中电子、激子、等离激元、声子、光子之间的耦合与转化 现象与机制，特别是表面等离激元在纳米体系的能量转移中的作用、激子 形成与衰变的机制以及辐射衰变动力学，实现在分子尺度下，对能量转移 途径和速率方面的控制。 5)发展和完善计算分子尺度上复杂体系的理论计算和程序，认识分子尺度上 量子行为的本质、规律与原理，解释与预测分子尺度体系中的量

4、子力学新 效应，为分子尺度上的量子测量、设计与调控提供理论基础和指导。 通过项目的执行，期望进一步凝聚和培养一支高素质的从事分子尺度量子 调控的科研队伍，发展和完善具有显著特色的分子尺度量子结构表征和调控的 技术、方法和装备，形成国际知名的有特色的研究基地，进一步提升我国在这 一前沿交叉领域的国际竞争能力，并使我国在分子尺度上的量子调控以及相关 分子材料与器件的研究领域内保持国际先进水平，在部分领域取得领先地位。 预计 5 年内发表高质量学术论文约 200 篇、取得 2-3 项具有国际领先水平的原 始创新的研究成果，申请 10-15 项发明专利、组织 1-2 次高水平的国际学术会 议，依托本项

5、目培养 100 余名研究生。 三、研究方案 总体研究方案总体研究方案 学术思路学术思路 本项目针对当今分子体系与器件研究中关于量子态调控、电荷输运、光电耦 合与转换、器件原理等涉及量子力学效应的焦点问题，利用和发展先进的分子尺 度上的高分辨高灵敏表征检测与操纵技术，发挥多学科交叉、实验与理论紧密结 合的优势，从分子能级和波函数工程的层次上对分子尺度体系的分立能级结构和 轨道空间分布进行调制，以实现结构、电子态、自旋态和光子态的量子调控，实 现对量子现象本质的认识和对量子特性的人工“裁剪”。重点解决单分子在空间、能 量、时间域的精确测量与控制；单分子光子学中量子态演化动力学；基于分子能 级和波函

6、数工程的量子器件设计原理等关键科学问题。通过这些问题的研究与解 决，设计和制备特定构型和性能的新体系，阐明分子尺度物质中电荷与自旋输运 特性的量子本质，揭示分子尺度体系中与界面相关的电荷转移与能量转换动力学 过程，建立分子尺度上量子调控的理论，探索和了解基于室温量子效应的分子电 子器件与分子光电子器件的运作原理。 技术途径技术途径 建立与发展高分辨率局域探针显微术与波谱、光谱等高灵敏谱学联用技术， 创建从空间、能量、时间三方面对纳米体系的时空动态行为进行高分辨高灵敏的 表征、检测与调控的实验研究平台，实现分子尺度上与器件功能相关的能级、波 函数、自旋调控。将拉曼信号与表面增强荧光和寿命等信息结

7、合起来，深入了解 分子尺度上的激发态信息、光电行为及其能量转移动力学过程，探索扫描探针增 强分子拉曼光谱技术应用于生物体系高分辨成像方面的可行性。 在这一实验平台上，研究单分子体系中量子态的耦合和纳米等离基元学，自 旋态的相关动力学过程、以及体系中与界面相关的电荷和能量转移过程。了解分 子隧道结中电子、激子、等离激元、声子、光子之间的耦合与转化现象与机制， 特别是表面等离激元在纳米体系的能量转移中的作用、激子形成与衰变的机制以 及辐射衰变动力学，实现在纳米尺度下对能量转移途径和速率方面的控制；研究 分子电极接触中的电子和自旋输运特性、引起分子间自旋相干性质以及引起自 旋退相干的机制，探索分子尺

8、度物质中电荷输运、光电转换的量子调控问题以及 相关分子器件的运作原理。 围绕单分子磁体、磁性复合体、与纳米光电子体等低维量子受限体系，在原 子和分子尺度上，利用物理与化学手段对体系结构的维度、有序度、尺寸、掺杂 等参数的调整，设计和构筑具有特定构型和性能的分子尺度功能结构及其耦合体 系。检测和分析分子体系调制后的性能，指导分子尺度物质的设计和制备，以便 实现物理性能参数的优化，推动实用分子材料与器件的开发。 由于分子尺度结构和接触环境的复杂性，影响因素众多，需要通过理论计算 来认识分子尺度上的量子现象与过程的本质。理论计算与分析将始终贯穿于每一 个课题、每一项研究工作中。我们将紧密结合实验研究

9、，考虑分子尺度体系与环 境的相互作用，发展并使用适合处理分子尺度上复杂体系理论和从第一性原理出 发的电子结构与分子动力学计算方法，配以各种半经验计算方法，对分子量子体 系的电子结构、光谱特性、输运性质、形成过程和反应机理等进行理论与计算研 究，澄清分子尺度结构的特异物理性质与量子效应之间的关系，为新的分子功能 材料与器件的发展和应用提供理论依据。 四、年度计划 第一年第一年 研究内容研究内容 1. 纯化磁性分子如 NC60, 设计制备复合的磁性功能分子结构及其衍生物， 如 NC60，MC82), TbPc2 分子。选择具有特定几何对称性结构的分子自 组装体系利用 STM 研究其自组装复合结构及

10、其电子态性质调控； 2. 利用低温-磁场 STM 测量磁性分子的电子结构和自旋性质，其中主要关注 不同对称结构磁性分子、不同材料和不同对称性的衬底金属对自旋态的影响， 3. 配合相关实验结果，表征单分子(如 NC60, TbPc2和内嵌富勒烯)的结构和物 性，其表面吸附行为。模拟与计算 STM 实验观测到的单分子吸附行为和输 运特性（如整流和负微分电阻效应） 。 4. 设计并搭建 STM 相结合的 ESR 系统；进一步建立和发展融合低温超高真 空高分辨扫描隧道显微镜与高灵敏单光子检测技术于一体的联用系统，特别 是完善无光纤耦合的优化光路和采用高效光子检测器（低噪音雪崩光二极管） 来提高光子图和

11、光子相关性测量的探测效率，建立与联用系统配套的共焦荧 光光路耦合系统，初步开展探针增强拉曼光谱（TERS）研究；进一步拓展 纳米体系的寿命测量方法，研究如何利用电脉冲激发的方法得到寿命信息； 5. 在光子态调控方面，重点研究 STM 诱导分子发光，研究分子在纳米等离激 元环境中的光电行为、特别是在强场和近场激发下可能产生的新光电量子效 应; 6. 设计与制备金属-金属（Au-Pd、Ag-Au 等） 、半导体-金属（Au-CdSe、Au- CdS、ZnO-Pd、ZnO-Pt、Mn-ZnO 等） 、半导体-半导体（ZnO-CdS、ZnO- CdSe、CdSe-ZnS 等）异质和石墨烯（Graphe

12、ne）及其复合材料(Graphene- CdSe、Graphene-ZnO、Graphene-metallic particle 等)为代表的新型受限和异 质量子结构，发展相应的可控制备技术。 7. 发展有效制备石墨烯及其复合结构的方法，研究掺杂和无序对石墨烯的电子 态特征与量子输运行为的影响，研究复合体系中协同效应对光电响应的作用,以 及石墨烯氧化物及其衍生物的电子结构和输运特性。 8. 设计和制备以等离子体纳腔为代表的各种微纳结构，研究异质量子结构或分 子同上述微纳的耦合特征及共振能量转移行为。 9. 发展线性标度方法，研究复杂大分子体系(如碳和硅团簇)的电子结构、声子 谱、吸收和发射光谱

13、。基于格林函数方法研究建立一套能处理谐振子和非谐 振子体系的计算模型，编写程序，计算分子的非线性光学响应和非弹性隧道 谱。在理论计算方面，建立第一性原理密度泛函理论计算 STM 诱导分子发 光的理论模型，注重从头计算法量子化学计算与跃迁速率方程之间的协同考 虑。 10. 发展和改进实用、有效的量子耗散方程，并分析、验证所适用的参数范围。 发展相应的计算方法，并完成动力学程序和包括二维的各种动力学光谱程序。 预期目标：预期目标： 1. 理解单个及多个磁性中心与衬底之间的相互作用关系； 2. 提出并确定 ESR-STM 联用系统的设计方案； 3. 初步掌握探针增强拉曼光谱（TERS）研究的实验技术

14、和方法； 4. 设计与制备出一些具有特殊新颖行为的新型受限和异质量子结构； 5. 对异质量子结构的电荷转移与能量转换行为有比较全面的理解； 6. 获得一些制备石墨烯及其复合体系的有效方法，发展其电子态与性能的调 控方法。 7. 设计和制备出能够有效调控异质量子结构或分子耦合和能量共振转移的微 纳结构，对其相互作用与机理有较系统的了解和掌握。 8. 发展和掌握一些电极制备技术和量子受限体系的定位生长与组装技术。 9. 寻找一些调控单分子表面吸附体系的磁学性质的手段。 10. 初步建立起基于第一性原理密度泛函理论的 STM 诱导分子发光的理论模型； 11. 发表高质量 SCI 学术论文 40-50

15、 篇，申请专利 2-3 项。 第二年：第二年： 研究内容：研究内容： 1.继续利用低温-磁场 STM 测量磁性分子的电子结构和自旋性质，重点关注 STM 探针操纵技术。通过 STM 的单分子操纵技术调控分子内部的功能基 团以实现对单分子功能的调控，继续研究和完善动力学测量方法；测试完 善 ESR 相关部件。 2.构建具有特殊结构和性质的磁性复合结构，如通过操纵 Co、Fe、Mn 原子， 与各种对称性分子间构建出复合结构，研究磁性中心间的相互作用，发展 和利用自旋极化的 STM 探针，探测和控制其自旋态； 3.探测 NC60 分子，特别是 15N 同位素的核自旋对电子自旋间可能的相互 作用及对电

16、子自旋输运性质的影响； 4.利用微纳加工技术制备电极材料，构建纳米结中嵌入单分子的结构，进一 步优化分子设计和等离激元结构设计（如探针-发光基团间隔基团嫁接 基团基板） ，调控功能发光单元与周围环境的脱耦合作用以及局域场增益 效应，探索提高发光量子效率和实现单分子电致发光的途径，并通过光子 相关性测量来研究电泵单分子光源的光子发射特性及其可能应用前景； 5.荧光分子与纳米体系之间的能量转移过程的检测与调控。设计和合成具有 特定能量转移通道的供体-受体光电分子，开展金属表面加上不同脱耦合层 的分子尺度体系的 STM 诱导分子发光研究，进一步研究局域等离激元场和 脱耦合效果对 STM 分子发光性能

17、的影响，为后续能量转移体系提供一个好 的脱耦合环境；同时开展原位光致发光研究，通过与稳态、瞬态光致发光 谱的比较来进一步认识 STM 诱导分子发光的激发与衰变机制，并研究如何 利用电脉冲激发获得分子发光寿命信息，了解荧光衰变与能量转移机制； 6.完善基于尺寸控制、掺杂、晶态、界面、表面、应力等方法的对异质受限 量子结构电子结构、电荷转移和能量转换的调控技术。研究器件电极与量 子受限体系的欧姆连接、Schottky 接触及其控制方法，完善器件电极连接 技术，进一步开展石墨烯及其复合体系的量子输运行为研究。 7.深入研究异质量子受限结构等界面处的能级分布、界面态、电荷转移、能 量传输和光电转换等特

18、性，探索界面的量子调控方法。 8.对一些表面吸附体系(如 Au-Pd 合金表面 CO 氧化)进行理论表征，解释相应 的实验观测现象和结果。配合实验，发现和理解表面对分子体系的电子态、 自旋态、光子态以及振动态的调机理控。 9.研究生物系统和纳米器件中的环境有序性和关联性对动力学特性的影响， 构造合理的模型。 10. 发展现有的模拟 STM 发光的电动力学理论，在将分子作为电偶极子的近似 下，模拟 STM 诱导分子发光，同时建立考虑外场作用的第一性原理密度泛 函理论模型，计算 STM 诱导分子发光的光谱。 预期目标：预期目标： 1.实现对单个磁性中心的自旋极化 STM 探测与控制，揭示自旋态在不

19、同对称 体系和材料体系中的相互作用关系，实现对单个 NC60 分子的高分辨表征 与输运性质测量； 2.对分子中电子给体和电子受体的功能基团控制，操控单个吸附分子中电荷 和空穴的分离、复合，设计和制备出相应功能分子和纳米等离激元结构； 3.掌握调控功能发光分子与周围纳米环境之间的相互作用规律，获得提高发 光量子效率以及实现单分子电致发光的新途径； 4.在现有超高真空高分辨 STM 系统上建立起原位稳态与瞬态光谱的光致发光 实验平台，通过原位光致发光和 STM 诱导发光的对比性研究，揭示分子发 光的激发与衰变过程，并掌握利用电脉冲激发测量分子发光寿命的技术与 方法； 5.模拟出外场作用下的 STM

20、 诱导分子发光的光谱，阐明一些单分子的电致发 光机理； 6.完善和掌握一批新型受限与异质量子结构的可控制备技术和针对其电子态、 电荷转移和能量转化的调控方法，对异质量子受限体系的电子结构、电荷 转移和光电转换等量子行为有较深入和系统的理解； 7.制备出具有良好特性的等离子体纳腔共振结构，获得基于纳腔共振的半导 体量子结构或分子体系的光致或电致受激辐射； 8.系统掌握无序对石墨烯体系电子结构和输运行为的影响，了解界面在石墨 烯复合结构中的作用，设计出基于石墨烯或其复合结构的新型量子或光电 器件； 9.对利用分子间弱相互作用进行表面自组装等量子调控获得更深刻的理解。 10. 发表高质量 SCI 学

21、术论文 40-50 篇，申请专利 2-3 项。 第三年：第三年： 研究内容：研究内容： 1.在前阶段工作的基础上，重点研究具有特殊效应的磁性单分子和复合分子 结构，发展 STM 与光谱技术的结合，对电子态和自旋态过程进行动态探测, 利用低温-磁场 STM 进一步研究单个 NC60 分子、单个分子磁体的电子输 运和自旋输运性质； 2.安装调试 ESR-STM，开展初步的试验性研究。 3.进一步开展荧光分子与纳米等离激元体系之间的能量转移过程的检测与调 控研究，特别是研究如何将具有特殊供体-受体结构或者发光基团间隔基 团嫁接基团的发光分子分散到特定的衬底上,特别是在因分子热稳定性问 题使得真空蒸发

22、无法实现的情况下，如何采取溶液滴定法或喷雾法来实现 分子在表面上的沉积。 4.研究表面上纳米等离激元结构（如金属纳米颗粒和纳米线）的制作，探索 原位生长（如金属硅化物纳米线） 、表面分散、以及纳米光刻技术的可行性 及其实现途径；研究分子结构及其电子态、吸附构型以及与周围环境的相 互作用对发光性能的影响，分析供受体分子能量衰减的途径，通过改变表 面等离激元模式来对能量转移过程进行调控； 5.完善低维受限和异质量子结构的可控制备与表征技术。从功能导向出发， 设计一些具有新功能的新型复合量子受限结构。进一步设计、制备和完善 纳腔等离子体共振结构，系统开展纳腔中受限量子体系或分子的激发态的 驰豫动力学

23、特性研究; 6.发展尺寸、掺杂、晶态、界面、表面、应力等对异质受限量子结构电子态、 电荷转移和能量转换行为的调控方法。 7.继续开展以石墨烯及其复合体系为代表的量子受限体系的量子行为的研究， 发展相应的量子调控技术和方法。继续研究无序和界面等对石墨烯及其复 合结构量子输运和光电特性的影响，设计和制备基于该体系的的新型量子 器件。 8.利用 TDDFT 研究描述光诱导的长程电荷转移和超快电子动力学过程，研究 键断裂（化学反应）时电荷转移的动力学过程，建立第一性原理密度泛函 理论与电动力学理论相结合的理论模型，计算和模拟 STM 诱导分子发光的 光谱，建立模拟量子态演化动力学的动态模型。 9.研究

24、耗散动力学，模拟二维相干光谱，与实验组合作，探讨光合系统的高 效激发能传递机制，包括考察蛋白质环境所起的作用，探讨在介观物理体 系中，环境构造对动力学特性的影响。 10. 发表高质量 SCI 学术论文 40-50 篇，申请专利 2-3 项。 预期目标：预期目标： 1.阐明分子-磁性原子复合体系中多个磁性中心的相互作用机制； 2.实现对磁性单分子中磁化量子隧穿过程探测，揭示自旋相关的实验现象； 3.理解和认识分子复合结构、耦合结构中电子态、自旋态动态探测的动力学 过程； 4.实现 ESR-STM 的基本功能，并取得一些初步的研究结果； 5.实现和掌握具有供体-受体结构或者发光基团间隔基团嫁接基团

25、的发光 分子在特定衬底表面上的分散技术与方法； 6.实现和掌握在衬底表面上制备具有特定功能的纳米等离激元结构的方法， 并获得通过改变表面等离激元模式来调控能量转移过程的新途径； 7.进一步完善 STM 诱导分子发光的理论模型，并处建立起模拟量子态演化动 力学的动态模型； 8.掌握基于尺寸控制、掺杂、晶态、界面、表面、应力等方法的对异质受限 量子结构电子态、电荷转移和能量转换的调控技术。 9.对器件（或测量）电极与电子受限体系的连接、异质结及量子复合结构的 界面对量子输运特性的影响机理有比较深入的理解，发展和完善器件电极 连接技术和界面调控方法。 10. 解释实验结果，发现调控电荷输运的重要参量

26、。 11. 发表高质量 SCI 学术论文 40-50 篇，申请专利 2-3 项。 第四年：第四年： 研究内容：研究内容： 1.继续深入探讨耦合关联分子体系的电子态和自旋态特征和新效应，对低温- 磁场 STM 体系单分子电子输运及自旋输运中一些新效应和现象进行重点研 究，提出相应的理论解释； 2.设计并构建具有特定结构与性质的单分子及其复合结构，进一步研究纳米 结中单分子的输运性质，探索与自旋相关的量子态激发、量子相变等量子 效应及其产生和控制机制； 3.继续发展 ESR 和 STM 联动的测量方法，用于对一些磁性分子的自旋态和 相互耦合进行控制。 4.将荧光分子与纳米等离激元体系之间的能量转移

27、研究拓展到半导体表面上 （如 Si(111)、 Si(100)、以及 H 钝化或金属钝化的 Si 表面） ，一方面研究 STM 诱导分子发光研究，为下一步在 Si 表面上进行能量转移研究提供研究 基础，另一方面通过在 Si 表面上制作金属性纳米颗粒、纳米棒、或者三角 形纳米小岛，然后再将分子分散到纳米结构附近，研究分子与纳米结构的 能量转移；这里将特别关注金属硅化物纳米线体系（如稀土硅化物）和介 电层上金属纳米线体系的相关等离激元发光与能量转移研究； 5.对单分子光电转换中的新量子现象和效应进行重点研究，深入研究在单分 子与纳米等离激元结构之间表现出明显的能量转移现象的体系； 6.进一步发展和

28、完善低维异质和受限量子体系的可控制备和量子态调控方法 和技术； 7.结合先进微纳制造技术，探索和发展石墨烯图形加工、掺杂控制、功能复 合等方法，设计和制备基于石墨烯的新型量子和光电器件； 8.系统研究界面对器件性能的影响与优化方法。研究量子器件中不同接触界 面对电输运的影响；研究光电器件中界面对电子和激子的传输、电子与空 穴复合等性能的影响；研究界面产生的寄生参数对器件性能的影响。 9.继续发展线性标度电子结构计算方法，开展分子器件的电子和自旋输运性 质的调控的理论研究，揭示光敏分子如 diarylethene 在光场调制下的电学响 应特性。 10. 与量子化学、分子力学等计算相结合，在更精细

29、的分子水平上，探讨生物 光合系统和纳米系统中环境的构造对动力学特性的影响以及与其功能之间 的关系。 预期目标：预期目标： 1.阐明耦合分子体系中不同自旋中心、电子给体-受体之间的相互作用机制和 调控机制； 2.揭示纳米结中单分子及其复合结构的自旋相关的量子效应探测与调控机制； 3.实现 ESR-STM 的联动测量，并利用 ESR-STM 系统实现对磁性分子自旋态 的调控； 4.通过将荧光分子与纳米等离激元结构之间的能量转移研究拓展到半导体表 面，进一步揭示表面等离激元在分子电子学和光子学相结合时所起到的关 键作用； 5.洞察和揭示在单分子光电转换中可能出现的新量子现象，如能量上转换现 象、热电

30、子发射现象、激子激射现象等； 6.系统掌握低维异质受限量子体系先进的可控制备技术和量子调控方法。 7.得到一些石墨烯图形加工、掺杂和复合技术，为设计和制备石墨烯新型量 子器件奠定可靠的基础。 8.较全面地理解界面影响量子器件中电荷转移、能量传输和光电转换的机理， 为系统提升结构和器件设计与制备技术的提供依据。 9.理解一些光控开关的工作机理。 10. 探索分子量子结构中电子态和自旋态的控制手段。 11. 发表高质量 SCI 学术论文 40-50 篇，申请专利 2-3 项。 第五年：第五年： 研究内容：研究内容： 1.总结基于单分子复合结构及自旋耦合体系的构建、探测和调控方法； 2.总结并分析利

31、用低温-磁场 STM、ESR-STM 探测和调控单个磁性分子电子 及自旋行为的方法与结果，提出新的科学问题和新的研究方向； 3.总结磁性单分子的自旋量子行为及其调控的研究结果，提出利用单分子磁 体设计和构建原型量子器件的可能性； 4.选取具有重要物理效应和新颖现象的的研究体系，同时配合理论模拟与计 算，对实验工作中得到的现象进行理论阐释，并针对实验与理论工作中遇 到的关键问题集中攻关，以取得重大的突破。 5.总结和完善高分辨扫描隧道显微镜与高灵敏单光子检测相结合的复合技术， 单分子光子态调控规律，对单分子电光转换中观察到的一些新现象和效应 进行重点研究，深入研究电泵单分子发光技术，探索平面型电

32、激励纳米光 源的可行性; 6.总结单分子与等离激元纳米结构之间的能量转移实验中观察到的量子现象 和效应，分析表面等离激元在其中的作用，提出相应的理论解释并完善理 论模型，探索其作为器件运作原理的可能性； 7.总结异质量子受限结构的可控制备方法和表征技术，完善和总结低维受限 和异质量子结构中新的量子特性、机制和本质； 8.完善和总结针对低维受限和异质量子体系的量子调控技术与方法，量子器 件设计与制备的关键技术与方法； 9.进一步完善以前发展的方法，用于实际体系的计算，研究功能材料的结构- 物理性质关系，研究光激发分子过程中其参数如波长和强度对电荷输运的 调控过程，描述分子器件电子和自旋输运机理；

33、 10. 设计分子修饰，进行实验和理论动力学光谱的比较研究，为实现量子调控 提供依据； 11. 根据国内外研究发展趋势对研究内容进行充实和调整，提出新的科学问题， 研制新设备，开辟新方向。 预期目标：预期目标： 1.掌握低温-磁场 STM 用于探测单分子及其复合结构的电子态和自旋态的量 子调控的基本原理与系统的研究方法；实现空间、能量、时间维度上对单 分子中基于电子和自旋的量子效应的高分辨探测与调控； 2.提出利用单分子结构中量子态和量子效应的新颖的原型量子器件的设计原 理与可行性分析，总结单分子体系量子设计与调控的基本规律，提出分子 体系量子态探测与调控的新的科学问题和新的研究方向； 3.实

34、现和掌握高分辨扫描隧道显微镜与高灵敏单光子检测相结合的复合技术， 完成从空间、能量、时间三个方面的对分子量子体系的时空行为和能级结 构的高分辨、高灵敏表征、检测和调控； 4.掌握单分子光子态调控规律，揭示表面等离激元在其中的作用，并提出相 应器件运作的可行性途径，针对实验研究过程中出现的新量子现象和效应， 给出相应的理论解释,并提出新的科学问题和研究方向； 5.掌握低维受限和异质量子结构的可控制备方法和技术，理解低维受限和异 质量子结构新的量子特性、机制和本质，掌握针对低维受限和异质量子结 构的量子调控技术与方法，获得一批量子器件设计与制备的关键技术与方 法，根据国家战略需求，结合国际发展态势

35、，提出新的科学问题和技术； 6.完善前述计算程序，研究重要的实际材料； 7.综合分析影响分子器件电子和自旋输运机理的各种因素，并构建一些可实 现特殊功能的分子器件； 8.项目总结； 9.预期在国际主流 SCI 杂志发表学术论文约 40 篇，并争取在 Nature、Science 上发表 1-2 篇文章，并申请原型量子器件设计的相关专利。 一、研究内容 本项目拟开展的研究课题从属于重大科学研究计划量子调控研究指南 中所列举的“受限微纳量子结构的设计与调控”方向。我们将面向国家重大需求， 围绕未来信息技术及其关联的分子量子结构与器件这一重要前沿开展创新性研 究。本项目拟重点解决的关键科学问题包括：具有特定构型和功能的分子尺度 量子结构的设计、制备与调控；分子体系的轨道、电子态与