分子尺度的量子设计与调控.doc

二、预期目标项目名称：分子尺度量子设计及调控首席科学家：杨金龙 中国科学技术大学起止年限：依托部门：中国科学院1、总体目标利用高分辨检测与控制技术，对分子尺度体系结构、电子态、自旋态与光子态进行表征、检测及调控，发挥多学科交叉、实验及理论紧密结合优势，建立与发展新量子测量与控制技术，以期实现分子尺度上在空间、能量、时间域高分辨率、高灵敏表征多功能动态检测与控制；揭示分子尺度体系中光电转换以及及表面相关电荷转移及能量转换动力学过程、以及量子态动力学演化过程；探索及了解基于分子能级与波函数工程量子器件设计原理与工作原理，为构筑具有我国自主知识产权未来信息技术科学基础做出贡献。2、五年预期目标1) 建立及发展高分辨率局域探针显微术及波谱、光谱等高灵敏谱学联用技术，探索量子调控表征及测量新原理与新方法，创建从空间、能量、时间三方面对纳米体系时空动态行为进行高分辨高灵敏表征、检测及调控实验研究平台。2) 通过物理与化学方法对分子尺度体系进行结构设计及调整，构筑特定构型与性能新分子体系、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关键技术，揭示一些新量子效应、协同效应、界面效应，实现高效光电器件与应用。3) 理解磁性分子与耦合体系中电子态、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及自旋态动态检测与调控，揭示及量子输运特性相关单分子电子器件与自旋器件运作原理。4) 掌握分子隧道结中电子、激子、等离激元、声子、光子之间耦合及转化现象及机制，特别是表面等离激元在纳米体系能量转移中作用、激子形成及衰变机制以及辐射衰变动力学，实现在分子尺度下，对能量转移途径与速率方面控制。5) 发展与完善计算分子尺度上复杂体系理论计算与程序，认识分子尺度上量子行为本质、规律及原理，解释及预测分子尺度体系中量子力学新效应，为分子尺度上量子测量、设计及调控提供理论基础与指导。通过项目执行，期望进一步凝聚与培养一支高素质从事分子尺度量子调控科研队伍，发展与完善具有显著特色分子尺度量子结构表征与调控技术、方法与装备，形成国际知名有特色研究基地，进一步提升我国在这一前沿交叉领域国际竞争能力，并使我国在分子尺度上量子调控以及相关分子材料及器件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原始创新研究成果，申请10-15项发明专利、组织1-2次高水平国际学术会议，依托本项目培养100余名研究生。三、研究方案总体研究方案学术思路本项目针对当今分子体系及器件研究中关于量子态调控、电荷输运、光电耦合及转换、器件原理等涉及量子力学效应焦点问题，利用与发展先进分子尺度上高分辨高灵敏表征检测及操纵技术，发挥多学科交叉、实验及理论紧密结合优势，从分子能级与波函数工程层次上对分子尺度体系分立能级结构与轨道空间分布进行调制，以实现结构、电子态、自旋态与光子态量子调控，实现对量子现象本质认识与对量子特性人工“裁剪”。重点解决单分子在空间、能量、时间域精确测量及控制；单分子光子学中量子态演化动力学；基于分子能级与波函数工程量子器件设计原理等关键科学问题。通过这些问题研究及解决，设计与制备特定构型与性能新体系，阐明分子尺度物质中电荷及自旋输运特性量子本质，揭示分子尺度体系中及界面相关电荷转移及能量转换动力学过程，建立分子尺度上量子调控理论，探索与了解基于室温量子效应分子电子器件及分子光电子器件运作原理。技术途径建立及发展高分辨率局域探针显微术及波谱、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时空动态行为进行高分辨高灵敏表征、检测及调控实验研究平台，实现分子尺度上及器件功能相关能级、波函数、自旋调控。将拉曼信号及表面增强荧光与寿命等信息结合起来，深入了解分子尺度上激发态信息、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可行性。在这一实验平台上，研究单分子体系中量子态耦合与纳米等离基元学，自旋态相关动力学过程、以及体系中及界面相关电荷与能量转移过程。了解分子隧道结中电子、激子、等离激元、声子、光子之间耦合及转化现象及机制，特别是表面等离激元在纳米体系能量转移中作用、激子形成及衰变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与速率方面控制；研究分子电极接触中电子与自旋输运特性、引起分子间自旋相干性质以及引起自旋退相干机制，探索分子尺度物质中电荷输运、光电转换量子调控问题以及相关分子器件运作原理。围绕单分子磁体、磁性复合体、及纳米光电子体等低维量子受限体系，在原子与分子尺度上，利用物理及化学手段对体系结构维度、有序度、尺寸、掺杂等参数调整，设计与构筑具有特定构型与性能分子尺度功能结构及其耦合体系。检测与分析分子体系调制后性能，指导分子尺度物质设计与制备，以便实现物理性能参数优化，推动实用分子材料及器件开发。由于分子尺度结构与接触环境复杂性，影响因素众多，需要通过理论计算来认识分子尺度上量子现象及过程本质。理论计算及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，考虑分子尺度体系及环境相互作用，发展并使用适合处理分子尺度上复杂体系理论与从第一性原理出发电子结构及分子动力学计算方法，配以各种半经验计算方法，对分子量子体系电子结构、光谱特性、输运性质、形成过程与反应机理等进行理论及计算研究，澄清分子尺度结构特异物理性质及量子效应之间关系，为新分子功能材料及器件发展与应用提供理论依据。四、年度计划第一年研究内容1. 纯化磁性分子如NC60, 设计制备复合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分子自组装体系利用STM研究其自组装复合结构及其电子态性质调控；2. 利用低温-磁场STM 测量磁性分子电子结构与自旋性质，其中主要关注不同对称结构磁性分子、不同材料与不同对称性衬底金属对自旋态影响，3. 配合相关实验结果，表征单分子(如NC60, TbPc2与内嵌富勒烯)结构与物性，其表面吸附行为。模拟及计算STM实验观测到单分子吸附行为与输运特性（如整流与负微分电阻效应）。4. 设计并搭建STM 相结合ESR 系统；进一步建立与发展融合低温超高真空高分辨扫描隧道显微镜及高灵敏单光子检测技术于一体联用系统，特别是完善无光纤耦合优化光路与采用高效光子检测器（低噪音雪崩光二极管）来提高光子图与光子相关性测量探测效率，建立及联用系统配套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寿命测量方法，研究如何利用电脉冲激发方法得到寿命信息；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光电行为、特别是在强场与近场激发下可能产生新光电量子效应; 6. 设计及制备金属-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）异质与石墨烯（Graphene）及其复合材料(Graphene-CdSe、Graphene-ZnO、Graphene-metallic particle等)为代表新型受限与异质量子结构，发展相应可控制备技术。7. 发展有效制备石墨烯及其复合结构方法，研究掺杂与无序对石墨烯电子态特征及量子输运行为影响，研究复合体系中协同效应对光电响应作用,以及石墨烯氧化物及其衍生物电子结构与输运特性。8. 设计与制备以等离子体纳腔为代表各种微纳结构，研究异质量子结构或分子同上述微纳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(如碳与硅团簇)电子结构、声子谱、吸收与发射光谱。基于格林函数方法研究建立一套能处理谐振子与非谐振子体系计算模型，编写程序，计算分子非线性光学响应与非弹性隧道谱。在理论计算方面，建立第一性原理密度泛函理论计算STM诱导分子发光理论模型，注重从头计算法量子化学计算及跃迁速率方程之间协同考虑。10. 发展与改进实用、有效量子耗散方程，并分析、验证所适用参数范围。发展相应计算方法，并完成动力学程序与包括二维各种动力学光谱程序。预期目标：1. 理解单个及多个磁性中心及衬底之间相互作用关系；2. 提出并确定ESR-STM联用系统设计方案；3. 初步掌握探针增强拉曼光谱（TERS）研究实验技术与方法；4. 设计及制备出一些具有特殊新颖行为新型受限与异质量子结构；5. 对异质量子结构电荷转移及能量转换行为有比较全面理解；6. 获得一些制备石墨烯及其复合体系有效方法，发展其电子态及性能调控方法。7. 设计与制备出能够有效调控异质量子结构或分子耦合与能量共振转移微纳结构，对其相互作用及机理有较系统了解与掌握。8. 发展与掌握一些电极制备技术与量子受限体系定位生长及组装技术。9. 寻找一些调控单分子表面吸附体系磁学性质手段。10. 初步建立起基于第一性原理密度泛函理论STM诱导分子发光理论模型；11. 发表高质量SCI学术论文40-50篇，申请专利2-3项。第二年：研究内容：1. 继续利用低温-磁场STM 测量磁性分子电子结构与自旋性质，重点关注STM 探针操纵技术。通过STM单分子操纵技术调控分子内部功能基团以实现对单分子功能调控，继续研究与完善动力学测量方法；测试完善ESR 相关部件。2. 构建具有特殊结构与性质磁性复合结构，如通过操纵Co、Fe、Mn 原子，及各种对称性分子间构建出复合结构，研究磁性中心间相互作用，发展与利用自旋极化STM 探针，探测与控制其自旋态；3. 探测NC60 分子，特别是15N 同位素核自旋对电子自旋间可能相互作用及对电子自旋输运性质影响；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结构，进一步优化分子设计与等离激元结构设计（如探针-发光基团间隔基团嫁接基团基板），调控功能发光单元及周围环境脱耦合作用以及局域场增益效应，探索提高发光量子效率与实现单分子电致发光途径，并通过光子相关性测量来研究电泵单分子光源光子发射特性及其可能应用前景；5. 荧光分子及纳米体系之间能量转移过程检测及调控。设计与合成具有特定能量转移通道供体-受体光电分子，开展金属表面加上不同脱耦合层分子尺度体系STM诱导分子发光研究，进一步研究局域等离激元场与脱耦合效果对STM分子发光性能影响，为后续能量转移体系提供一个好脱耦合环境；同时开展原位光致发光研究，通过及稳态、瞬态光致发光谱比较来进一步认识STM诱导分子发光激发及衰变机制，并研究如何利用电脉冲激发获得分子发光寿命信息，了解荧光衰变及能量转移机制；6. 完善基于尺寸控制、掺杂、晶态、界面、表面、应力等方法对异质受限量子结构电子结构、电荷转移与能量转换调控技术。研究器件电极及量子受限体系欧姆连接、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能级分布、界面态、电荷转移、能量传输与光电转换等特性，探索界面量子调控方法。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，解释相应实验观测现象与结果。配合实验，发现与理解表面对分子体系电子态、自旋态、光子态以及振动态调机理控。9. 研究生物系统与纳米器件中环境有序性与关联性对动力学特性影响，构造合理模型。10. 发展现有模拟STM发光电动力学理论，在将分子作为电偶极子近似下，模拟STM诱导分子发光，同时建立考虑外场作用第一性原理密度泛函理论模型，计算STM诱导分子发光光谱。预期目标：1. 实现对单个磁性中心自旋极化STM探测及控制，揭示自旋态在不同对称体系与材料体系中相互作用关系，实现对单个NC60分子高分辨表征及输运性质测量；2. 对分子中电子给体与电子受体功能基团控制，操控单个吸附分子中电荷与空穴分离、复合，设计与制备出相应功能分子与纳米等离激元结构；3. 掌握调控功能发光分子及周围纳米环境之间相互作用规律，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及瞬态光谱光致发光实验平台，通过原位光致发光与STM诱导发光对比性研究，揭示分子发光激发及衰变过程，并掌握利用电脉冲激发测量分子发光寿命技术及方法；5. 模拟出外场作用下STM诱导分子发光光谱，阐明一些单分子电致发光机理；6. 完善与掌握一批新型受限及异质量子结构可控制备技术与针对其电子态、电荷转移与能量转化调控方法，对异质量子受限体系电子结构、电荷转移与光电转换等量子行为有较深入与系统理解；7. 制备出具有良好特性等离子体纳腔共振结构，获得基于纳腔共振半导体量子结构或分子体系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与输运行为影响，了解界面在石墨烯复合结构中作用，设计出基于石墨烯或其复合结构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理解。10. 发表高质量SCI学术论文40-50篇，申请专利2-3项。第三年：研究内容：1. 在前阶段工作基础上，重点研究具有特殊效应磁性单分子与复合分子结构，发展STM及光谱技术结合，对电子态与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、单个分子磁体电子输运与自旋输运性质；2. 安装调试ESR-STM，开展初步试验性研究。3. 进一步开展荧光分子及纳米等离激元体系之间能量转移过程检测及调控研究，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发光分子分散到特定衬底上,特别是在因分子热稳定性问题使得真空蒸发无法实现情况下，如何采取溶液滴定法或喷雾法来实现分子在表面上沉积。4. 研究表面上纳米等离激元结构（如金属纳米颗粒与纳米线）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、吸附构型以及及周围环境相互作用对发光性能影响，分析供受体分子能量衰减途径，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. 完善低维受限与异质量子结构可控制备及表征技术。从功能导向出发，设计一些具有新功能新型复合量子受限结构。进一步设计、制备与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激发态驰豫动力学特性研究;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、电荷转移与能量转换行为调控方法。7. 继续开展以石墨烯及其复合体系为代表量子受限体系量子行为研究，发展相应量子调控技术与方法。继续研究无序与界面等对石墨烯及其复合结构量子输运与光电特性影响，设计与制备基于该体系新型量子器件。8. 利用TDDFT研究描述光诱导长程电荷转移与超快电子动力学过程，研究键断裂（化学反应）时电荷转移动力学过程，建立第一性原理密度泛函理论及电动力学理论相结合理论模型，计算与模拟STM诱导分子发光光谱，建立模拟量子态演化动力学动态模型。9. 研究耗散动力学，模拟二维相干光谱，及实验组合作，探讨光合系统高效激发能传递机制，包括考察蛋白质环境所起作用，探讨在介观物理体系中，环境构造对动力学特性影响。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：1. 阐明分子-磁性原子复合体系中多个磁性中心相互作用机制；2. 实现对磁性单分子中磁化量子隧穿过程探测，揭示自旋相关实验现象；3. 理解与认识分子复合结构、耦合结构中电子态、自旋态动态探测动力学过程；4. 实现ESR-STM基本功能，并取得一些初步研究结果；5. 实现与掌握具有供体-受体结构或者发光基团间隔基团嫁接基团发光分子在特定衬底表面上分散技术及方法；6. 实现与掌握在衬底表面上制备具有特定功能纳米等离激元结构方法，并获得通过改变表面等离激元模式来调控能量转移过程新途径；7. 进一步完善STM诱导分子发光理论模型，并处建立起模拟量子态演化动力学动态模型；8. 掌握基于尺寸控制、掺杂、晶态、界面、表面、应力等方法对异质受限量子结构电子态、电荷转移与能量转换调控技术。9. 对器件（或测量）电极及电子受限体系连接、异质结及量子复合结构界面对量子输运特性影响机理有比较深入理解，发展与完善器件电极连接技术与界面调控方法。10. 解释实验结果，发现调控电荷输运重要参量。11. 发表高质量SCI学术论文40-50篇，申请专利2-3项。第四年：研究内容：1. 继续深入探讨耦合关联分子体系电子态与自旋态特征与新效应，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与现象进行重点研究，提出相应理论解释；2. 设计并构建具有特定结构及性质单分子及其复合结构，进一步研究纳米结中单分子输运性质，探索及自旋相关量子态激发、量子相变等量子效应及其产生与控制机制；3. 继续发展ESR 与STM 联动测量方法，用于对一些磁性分子自旋态与相互耦合进行控制。 4. 将荧光分子及纳米等离激元体系之间能量转移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，研究分子及纳米结构能量转移；这里将特别关注金属硅化物纳米线体系（如稀土硅化物）与介电层上金属纳米线体系相关等离激元发光及能量转移研究；5. 对单分子光电转换中新量子现象与效应进行重点研究，深入研究在单分子及纳米等离激元结构之间表现出明显能量转移现象体系；6. 进一步发展与完善低维异质与受限量子体系可控制备与量子态调控方法与技术；7. 结合先进微纳制造技术，探索与发展石墨烯图形加工、掺杂控制、功能复合等方法，设计与制备基于石墨烯新型量子与光电器件；8. 系统研究界面对器件性能影响及优化方法。研究量子器件中不同接触界面对电输运影响；研究光电器件中界面对电子与激子传输、电子及空穴复合等性能影响；研究界面产生寄生参数对器件性能影响。9. 继续发展线性标度电子结构计算方法，开展分子器件电子与自旋输运性质调控理论研究，揭示光敏分子如diarylethene在光场调制下电学响应特性。 10. 及量子化学、分子力学等计算相结合，在更精细分子水平上，探讨生物光合系统与纳米系统中环境构造对动力学特性影响以及及其功能之间关系。预期目标：1. 阐明耦合分子体系中不同自旋中心、电子给体-受体之间相互作用机制与调控机制；2. 揭示纳米结中单分子及其复合结构自旋相关量子效应探测及调控机制；3. 实现ESR-STM联动测量，并利用ESR-STM系统实现对磁性分子自旋态调控；4. 通过将荧光分子及纳米等离激元结构之间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与光子学相结合时所起到关键作用；5. 洞察与揭示在单分子光电转换中可能出现新量子现象，如能量上转换现象、热电子发射现象、激子激射现象等；6. 系统掌握低维异质受限量子体系先进可控制备技术与量子调控方法。7. 得到一些石墨烯图形加工、掺杂与复合技术，为设计与制备石墨烯新型量子器件奠定可靠基础。8. 较全面地理解界面影响量子器件中电荷转移、能量传输与光电转换机理，为系统提升结构与器件设计及制备技术提供依据。9. 理解一些光控开关工作机理。10. 探索分子量子结构中电子态与自旋态控制手段。11. 发表高质量SCI学术论文40-50篇，申请专利2-3项。第五年：研究内容：1. 总结基于单分子复合结构及自旋耦合体系构建、探测与调控方法；2. 总结并分析利用低温-磁场STM、ESR-STM探测与调控单个磁性分子电子及自旋行为方法及结果，提出新科学问题与新研究方向；3. 总结磁性单分子自旋量子行为及其调控研究结果，提出利用单分子磁体设计与构建原型量子器件可能性；4. 选取具有重要物理效应与新颖现象研究体系，同时配合理论模拟及计算，对实验工作中得到现象进行理论阐释，并针对实验及理论工作中遇到关键问题集中攻关，以取得重大突破。5. 总结与完善高分辨扫描隧道显微镜及高灵敏单光子检测相结合复合技术，单分子光子态调控规律，对单分子电光转换中观察到一些新现象与效应进行重点研究，深入研究电泵单分子发光技术，探索平面型电激励纳米光源可行性;6. 总结单分子及等离激元纳米结构之间能量转移实验中观察到量子现象与效应，分析表面等离激元在其中作用，提出相应理论解释并完善理论模型，探索其作为器件运作原理可能性；7. 总结异质量子受限结构可控制备方法与表征技术，完善与总结低维受限与异质量子结构中新量子特性、机制与本质；8. 完善与总结针对低维受限与异质量子体系量子调控技术及方法，量子器件设计及制备关键技术及方法；9. 进一步完善以前发展方法，用于实际体系计算，研究功能材料结构-物理性质关系，研究光激发分子过程中其参数如波长与强度对电荷输运调控过程，描述分子器件电子与自旋输运机理；10. 设计分子修饰，进行实验与理论动力学光谱比较研究，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与调整，提出新科学问题，研制新设备，开辟新方向。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电子态与自旋态量子调控基本原理及系统研究方法；实现空间、能量、时间维度上对单分子中基于电子与自旋量子效应高分辨探测及调控；2. 提出利用单分子结构中量子态与量子效应新颖原型量子器件设计原理及可行性分析，总结单分子体系量子设计及调控基本规律，提出分子体系量子态探测及调控新科学问题与新研究方向；3. 实现与掌握高分辨扫描隧道显微镜及高灵敏单光子检测相结合复合技术，完成从空间、能量、时间三个方面对分子量子体系时空行为与能级结构高分辨、高灵敏表征、检测与调控；4. 掌握单分子光子态调控规律，揭示表面等离激元在其中作用，并提出相应器件运作可行性途径，针对实验研究过程中出现新量子现象与效应，给出相应理论解释,并提出新科学问题与研究方向；5. 掌握低维受限与异质量子结构可控制备方法与技术，理解低维受限与异质量子结构新量子特性、机制与本质，掌握针对低维受限与异质量子结构量子调控技术及方法，获得一批量子器件设计及制备关键技术及方法，根据国家战略需求，结合国际发展态势，提出新科学问题与技术；6. 完善前述计算程序，研究重要实际材料；7. 综合分析影响分子器件电子与自旋输运机理各种因素，并构建一些可实现特殊功能分子器件；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相关专利。一、研究内容本项目拟开展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“受限微纳量子结构设计及调控”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分子量子结构及器件这一重要前沿开展创新性研究。本项目拟重点解决关键科学问题包括：具有特定构型与功能分子尺度量子结构设计、制备及调控；分子体系轨道、电子态及自旋态等内部量子态高灵敏、高分辨率检测、表征及调控；分子尺度体系及量子结构中光子态调控及其同外场耦合及集成；基于分子尺度量子体系新量子效应原型器件原理及设计。针对以上科学问题，本项目拟主要开展如下三个方面研究内容。(1). 发展与完善高分辨高灵敏量子态表征、测量及调控方法。基于STM，拓展针对磁性分子纳米结构中电子态、自旋态分辨能力及动态检测与控制技术；实现在空间、能量、时间域对单个磁性分子与磁性复合纳米结构电子态与自旋态多功能检测及控制；发展局域探针显微术及波谱、光谱等高灵敏谱学联用技术，研究单分子体系中量子态耦合与纳米等离激元学及其调控技术。(2).分子尺度体系量子设计及量子态与性能调控。(a). 分子尺度量子结构设计、功能调控及器件：发展新功能分子、低维异质量子受限结构、石墨烯及其复合体系可控制备、高分辨表征及其组装方法；研究异质量子受限结构光电响应及输运特性，探索界面对异质受限结构中电荷分离及能量转移影响及机理，设计与制备高效光电原型器件；探索石墨烯及其复合体系中新量子效应及协同效应，设计与制备新型量子器件。(b). 磁性分子及耦合体系电子态及自旋态调控：单个磁性分子及耦合结构磁性分子电子态与自旋态探测、操纵及调控；研究磁性分子与耦合体系中表面及界面效应、电子-电子相互作用、自旋-轨道相互作用、量子受限体系内部电子态、自旋态耦合等物理效应。(c). 光子态及其他量子态相互作用及其调控：构筑包含分子及等离激元结构能量供受体量子体系，利用隧穿电子高度局域化激发，通过稳态光谱与动态寿命测量，在单分子尺度上来对体系电子态与光子态进行高分辨检测，探讨激发态分子及金属等离激元结构之间能量转移动力学过程。揭示分子隧道结中电子、激子、等离激元、声子与光子等量子态之间耦合及转化、量子态及周围纳米结构相互作用机制，进一步通过局域等离激元共振模式调控以及STM纳腔强场增益效应来改变能量转化过程中辐射及非辐射衰变途径速率，进而实现分子尺度上能量转移过程调控。(3).分子尺度上体系理论与模拟针对不同实验分子体系复杂性、及其同外场相互作用及电荷输运多体量子特性等导致理论计算挑战，发展能处理复杂分子体系电子结构、输运性质与外场对系统性质调控高效理论方法与计算程序包，通过线性标度算法与大规模并行等方法降低基态与激发态电子结构计算量，进一步优化量子耗散理论算法，开展与实验紧密结合计算与模拟研究，对分子量子体系电子结构、光谱特性、输运性质、形成过程与反应机理等进行理论及计算研究，澄清分子尺度结构特异物理性质及量子效应之间关系，为实现分子尺度量子调控与器件设计提供理论依据。第 20 页