功能导向大面积有序纳米结构可控制备和应用基本科学问题研究Word格式文档下载.docx

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在纳米器件的界面科学与工程、大面积纳米器件的构筑、组装方法，纳米器件的互连、集成、纳米电路的构筑方面取得突破，促进我国纳米电子学的发展。

（二）五年预期目标:

通过本项目的实施，实现有机纳米结构形貌、尺寸、维数和性能的调控以及大面积、高有序的自组装生长方法学与机理的建立。

发展大面积纳米结构材料直接在光、电、生物和信息技术中的应用，基本实现大面积器件的构建和集成以及材料应用的突破和跨越。

提升我国在该领域的自主创新和发展核心技术的能力，取得一批具有原创性的重要科学成果。

形成一支在国际上有影响的研究队伍，培养一批高水平的研究人才。

在项目实施的5年内，达到如下目标：

1.继续人工类石墨烯纳米带有机功能分子的合成，实现具有独特光电性能的多种类石墨烯纳米带类有机功能分子的高效合成和宏量制备。

达到克量级的制备；

实现电活性，光活性的多类特定结构和功能有机共轭分子的大量合成，形成功能性的有机纳米结构，实现多种高性能有机半导体分子大尺寸晶体和大面积晶态薄膜的可控制备，获得3－5类具有高效光、电和光电转换性能的材料。

2.在有机、有机/无机功能分子体系聚集态多层次和多尺度上研究其纳米结构和性能的关系，发展定向、维数可控、大面积、高有序自组装生长的关键技术，建立具有自己特色的高效生长大面积、高有序有机、有机/无机功能纳米结构的机理和关键技术。

获得2－3项具有自主知识产权大面积、高性能的有机纳米阵列生长技术和1－2项新结构半导体材料有序晶态薄膜大面积组装技术。

为功能导向大面积、有序纳米结构的可控制备奠定坚实的材料基础，实现这些材料在高技术发展中关键技术的应用。

3.纳米器件与制造是纳米科技中的前沿和核心研究领域，能够有力推动纳米材料、纳米加工、纳米检测、纳米物理等其他纳米科学分支的迅速发展。

实现大面积、高性能有序纳米阵列结构在在光电和信息器件中的应用是本项目的重要目标。

在项目执行期间实现高性能的场效应晶体管为驱动的相关器件的应用，特别是制备基于有机场效应晶体管单比特与多比特存储器件应有方面。

实现2－3类核心电路，如倒相器、环振荡器和存储器件的构建；

在新结构光电器件等方面获得突破性进展，提出1－2具有自主知识产权的储能应用的器件。

4.获得具有多重响应的，特别是对光电敏感的纳米结构器件，研究这些响应对纳米器件的分离、协同效应，力争实现这些新概念、新结构、多功能器件的应用，实现纳米器件的互连与集成和纳米电路的构筑，制备2－3类大面积、多功能器件应用和纳米电路的构筑。

5.形成系列有自主知识产权的专利技术、发表系列高质量有影响的研究论文，每年发表论文50篇以上（影响因子大于6.0的8篇以上，大于3.0的30篇以上），加强优秀青年人才和有创新力团体的培养，形成一支高水平、在国际上有影响、有竞争力的研究队伍。

三、研究方案

（一）学术思路：

本研究围绕功能导向大面积、有序纳米结构的可控制备和应用基本科学问题研究而展开，从功能导向的高有序有机纳米材料的构筑方法、大尺寸高有序功能纳米材料的自组装生长机理和性能调控、大面积纳米结构材料在光电和信息器件中的应用以及纳米器件的关键科学问题研究等几个方面入手开展研究。

功能导向的高有序有机纳米材料的构筑是整体研究工作的基础，而大尺寸高有序功能纳米材料的自组装生长机理和性能调控是研究工作的关键，贯穿于整个项目研究过程中，是整个项目的桥梁；

大面积纳米结构材料在光电和信息器件中的应用是整体研究工作的集成；

纳米器件的关键科学问题研究主要是有效克服器件组装和集成中的关键问题。

这几方面的研究相互联系，相互交叉，整个方案可以图示如下：

总体研究方案突出体现：

（1）把握基础性、前瞻性和交叉性的研究特征，体现国家重大需求和科学前沿的有限目标；

（2）加强化学、物理与材料等学科的交叉与合作；

（3）鼓励原始创新和探索研究，突出重点，在研究计划的总体目标下加强研究项目的集成。

围绕关键科学问题，注重基础研究，发展关键技术。

项目将分成四个课题开展工作：

1、功能导向分子材料设计、合成

2、大尺寸有序纳米材料的自组装方法学和性能调控

3、大面积纳米结构材料在光电和信息器件中的应用

4、有机纳米结构在器件中的应用关键科学问题和技术

项目的组织实施将围绕关键科学问题，注重“基础研究，发展关键技术”的总体思路，加强化学、物理与材料等学科的交叉与合作，注重原始创新研究。

凝练科学目标，积极促进学科交叉，各课题密切交叉，重视课题间前后衔接和团队攻关。

通过本项目的实施在形貌、尺寸、维数、结构和性能的调控以及大面积、高有序的自组装生长方法学与机理研究方面获得多项具有自主知识产权的新方法和关键技术。

实现大面积纳米阵列直接在光、电、生物和信息技术中的应用并基本实现大面积器件的构建和集成。

（二）技术途径：

本项目根据国家中长期发展规划，在上期项目研究工作的基础上，着眼于大面积、高有序纳米结构和材料制备的重大基础科学问题，结合国际上该领域发展趋势和我国的研究积累和重大战略需求，发展纳米材料大面积、高有序生长方法学，揭示材料结构与性能的关系及其变化规律，以及大面积有机纳米结构材料在光电和信息器件中的应用等几方面入手，开展协同攻关。

1.功能导向分子材料的设计、合成

◆在上期取得重要进展的基础上，继续人工类石墨烯纳米带有机功能分子或薄膜的合成，围绕具有独特光电性能的类石墨烯纳米带有机功能分子，建立高效合成方法和宏量制备，合成多类不同结构的类石墨烯分子或薄膜，研究分子构成及纳米结构的变化规律和功能单元结构与性能关系，形成有特色的自主知识产权人工合成类石墨烯研究体系，用于器件构造的关键材料和技术。

◆设计合成具有优良加工、组装性质的共轭大－体系有机分子及其组合材料体系。

构造有机导体、有机半导体、有机半导体－无机半导体，D—A、A—D型等功能分子并研究宏观量制备技术和方法以及分子晶体的培养并制备金属、II－VI族化合物与聚合物形成的新型杂化材料，研究这些分子体系在固态下的电化学和光谱性质，电子、能量和质子转移过程，以及外界条件对这些性质的影响，为制备高性能的器件打下坚实基础。

◆设计、合成结构新型、组装和自组装性能优异可形成厘米级纳米阵列、稳定性好的小分子（C60和苝四甲酰二亚胺衍生物）和共轭高分子光伏及场效应材料，包括p-型和n-型半导体材料并研究这些分子体系的掺杂，通过对功能有机分子进行无机阴离子和金属及金属离子掺杂，制备有机掺杂复杂体系材料，提高其导电性和降低电子亲和势，产生高性能光电和光电转换材料，制备大尺寸阵列作为关键光电技术材料。

◆合成并引入可组装基团，带共轭支链和取代基区域规整的聚噻吩，支链采用苯乙烯、噻吩乙烯链段或吩噻嗪，共轭支链通过碳-碳双键与主链的噻吩环相连接，扩展聚合物的吸收谱带和提高电荷载流子迁移率。

通过调节共轭支链的长度和数目以及共轭主链的组成和结构来调控聚合物的吸收光谱。

通过控制活性层给体／受体互穿网络结构的组成和形貌改善电荷分离和传输性能，使用适当的电极修饰层改善电荷收集性能，宏观改善构建器件材料的能量转换性质和效率。

◆通过理论与计算设计具有新型结构的分子材料，对材料中分子和分子聚集体的微观结构与性能进行预测，合成具有光、电、磁行为的有机共轭“明星”分子，形成特色体系并研究分子的功能晶体生长，分子的有序控制合成及宏观量制备.开展结构-性能关系研究，分子间相互作用，分子排列的有序性，电导电子与局域电子自旋间相互作用，以及功能耦合等相关凝聚态问题的研究，为器件研究提供材料基础和组装原理。

◆结合超分子化学与晶体工程学，通过分子结构的裁剪和作用力调控实现微纳尺度上有机半导体分子的组装、排列和大面积有序结构，重点理解纳米尺度下分子间弱相互作用产生的协同驱动机制，揭示分子、超分子各向异性相互作用对有机低维结构形成的影响规律。

明确提出大面积组装和有机低维结构形成与动力学过程之间的关系。

建立和发展大尺寸有机低维晶体生长的手段和方法，有效调控大尺寸有机低维晶体结构和性能，发展多种高性能有机半导体分子大尺寸晶体和大面积晶态薄膜的制备技术。

2.大尺寸有序纳米材料的自组装方法学和性能调控

◆发展尺寸与结构可控的有机纳米结构制备方法，新的定向、定维自组装技术，复合异质结构中的超晶格材料的控制生长，超分子组装中的分子聚集态的趋向，功能有机纳米尺度超结构的形成，大面积、多层次有序纳米结构自组装问题。

从微观到宏观，揭示有机功能自组装纳米材料的本质，研究这些分子纳米结构固态下的电子、能量转移过程，特别是固态下的性质和性能并研究这些体系的大面积、有序结构生长。

明确组装、生长机理和过程，研究这些具有响应性纳米结构在器件方面的应用。

◆通过有机功能单元的结构设计和裁减，调控功能单元间的相互作用，进而调控其能带结构，通过选择光、电功能单元进行有序结构及异质结构组装，揭示在胶体、固态下的光物理过程，及分子内和分子间的协同效应；

同时充分理解外界条件对这些性质的影响和响应，并理解自组装功能单元、表面、界面特别是界表面相互作用方式与其宏观性能的关系。

利用这些规律提出新概念为构建高性能器件提出依据。

◆固态化学反应结合极端条件、自组装、定向诱导、原位或者非原位的组装、分子模板等，发展新颖的二级和多级自组装技术，实现选择性自组装或依据器件要求自然生长图案化。

理解有机纳米材料的生长机理、过程等，从理论上进行模拟，发展有机纳米材料有序结构的形成机理相关理论，指导大尺寸、高有序生长和认识组装的相关动力学和热力学过程。

并理解大面积有序纳米结构、微结构生长与界面优化问题，掺杂和缺陷对自组装结构、特性的影响等。

◆从能量和结构探索有机和无机分子的匹配，注重有机功能分子与无机材料的功能互补和协同优化，实现功能性有机/无机界面的构筑并获得排列有序有机低维纳米线、纳米棒等阵列，实现特定功能的大面积、高有序共轭有机半导体/无机半导体新杂化结构和材料的构建。

在实验和理论结合的基础上认识其构效关系，提供分子科学的模型和指导。

为进一步制备大面积、高有序的有机半导体/无机半导体纳米结构器件打下基础。

◆对功能有机/无机异质结纳米材料自组装的动力学过程进行研究，研究功能分子结构与聚集态纳米结构对自组装体性能的影响规律。

原位、实时地控制它们的组装过程并适时地检测纳米结构的性质和性能，理解有机/无机纳米材料有序结构的形成机理相关理论，大面积有序纳米结构微结构与界面结构的关系，分子级和原子级杂化以及不同杂化参数对异质结构特性的影响等。

构建二维及三维有序结构复合异质智能材料。

◆采用自组装、在界面或生物膜板（如DNA、蛋白质以及磷脂）上的组装方法构建有具有生物活性与光电活性的纳米分子－生物分子复合体系纳米结构功能材料。

利用先进光谱技术，研究这些聚集体纳米结构体系中的信息传输过程，如电子转移、能量传递、物质传输和化学转换等重要物理化学过程，为阐明分子聚集体纳米结构与功能的关系提供新思路。

3.大面积纳米结构材料在光电和信息器件中的应用

◆以大面积高度有序的有机和有机/聚合物半导体薄膜为基础，构筑有机/聚合物半导体场效应晶体管，研究载流子的注入及传输性能，通过采用不同器件结构、优化有序薄膜的制备工艺等手段优化器件的场效应性能并发展实用的有机驱动器件。

◆以“界面工程”为基础排布直接生长高度有序的有机/聚合物薄膜或单晶场效应晶体管。

通过对电极界面或者绝缘层界面的预排布和有序纳米结构控制，研究不同有机/聚合物材料在其界面上有序生长过程，研究直接生长有机场效应晶体管的机理，探讨界面工程在可排布性生长高度有序的有机效应晶体管中的作用。

优化条件制备高性能的有机和聚合物薄膜阵列或单晶场效应晶体管。

◆减小短沟道场效应管中的接触电阻是一个发展场效应管的关键科学问题。

实现利用修饰半导体表面的办法来减小接触电阻。

在衬底表面生长大面积纳米尺寸的半导体材料，并采用化学的方法修饰半导体材料的表面，并在修饰过的表面上匹配电极材料生长在这个纳米半导体的两侧（可以是打印大面积的导体材料，也可以在导体材料中添加各种可以修饰电极表面的材料），从而达到减小接触电阻的目的，实现高性能场效应管的构筑。

◆以大面积高度有序的有机半导体纳米结构阵列和大尺寸单晶的场效应晶体管为基础，实现有机场效应晶体管存储器的制备技术，研究其在信息存储方面的应用。

优化高度有序的有机/聚合物半导体薄膜或者单晶与存储介质的匹配条件，研究存储机制，制备基于有机场效应晶体管单比特与多比特存储器件。

◆制备导电聚合物与多孔碳、碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料的复合三维有序的电极材料，研究大面积、高有序的导电聚合物材料的性能与结构的关系、碳纳米材料与导电聚合物复合电极材料的组成对性能的影响，认识纳米材料与有序导电聚合物纳米结构的协同效应，和结构与器件的关系，实现高性能储能器件的构建，特别是制备高循环使用寿命的超级电容器。

◆利用自组装或者其它手段，在衬底表面生长纳米尺寸的半导体给体（或者受体材料），形成各种阵列，然后将另外一种与之相匹配的受体（或者给体）材料打印在纳米半导体给体（或者受体材料）的纳米阵列中，形成完整的纳米给体/纳米受体膜。

实现新结构光电器件的构建。

4.有机纳米结构在器件中的应用关键科学问题和技术

◆大面积纳米器件的构筑：

我们的前期工作在单个、分离器件的构筑、组装与性能研究方面取得了一定的进展。

在此基础之上，我们将重点关注大面积纳米器件的可控构筑。

实现纳米结构的大面积可控排布、纳米结构上绝缘层的构筑技术、电极的构筑技术等。

实现纳米结构与电极的可控连接和纳米器件的大面积有序组装。

◆构筑高性能的纳米电路，有机纳米器件不同于传统的半导体器件，相关器件连接、集成技术也不同于传统的微加工技术，我们将重点研究以“bottom-up”的方法实现这些有机纳米器件的互连、获取功能性纳米电路。

实现大面积纳米电路的组装，进一步实现纳米器件的互连和集成。

◆大面积纳米晶器件阵列、纳米电路的构筑：

通过在基板表面构筑特定的图案，对这些图案进行一定的化学修饰，可以在这些图案上选择性生长大面积阵列纳米晶。

发展纳米晶器件阵列、纳米晶电路的构筑技术，实现高性能纳米晶电路的可控构筑与制备。

◆通过相关理论研究理解纳米器件互连时的耦合、协同效应与机理以及有机纳米电路的相关理论等并通过纳米分子材料器件内部的电荷过程、激子过程与界面特性关系等，从界面科学与工程的角度来解决目前所面临的性能偏低、寿命偏短、成本偏高的三个关键问题。

◆探索基于传统半导体电子和空穴之外的其它载流子传输的器件，譬如质子传导的器件。

探索除电、光响应外，对声、磁等也具有响应特性的器件，以及具有多重响应特性的器件；

重视柔性有机材料器件的研究，获取在弯曲状态下，有机纳米器件的工作特点。

◆采用物理模型与量子化学计算相结合的方法，建立反映纳米材料的电子和声子状态与分子结构和组成的依赖关系及其与外界环境相互作用规律，紧密配合实验工作，揭示和解释纳米器件中出现的新现象、新规律。

（三）创新点与特色：

1.发展有机纳米材料大面积、高有序生长方法学，揭示材料结构与性能的关系及其变化规律，特别注重结构和性能的调控以及功能导向大面积纳米阵列的构建和多功能集成是本项目创新点之一。

2.提出对有机纳米材料关键功能基元的设计、功能调控，认识、揭示分子、超分子各向异性相互作用对有机低维纳米结构形成的影响规律，调控分子间的相互作用和分子的聚集方式，进而调控分子纳米结构和功能。

更深层次的认识功能分子体系纳米结构材料的生长机理、自组装过程以及生长动力学。

3.围绕大面积和高性能器件的应用开展研究，提出了纳米阵列在场效应晶体管和核心电路中的关键制备技术；

基于有序导电聚合物纳米结构及其复合结构的储能器件的优化设计和构建；

构筑纳米尺度双连续相的微纳形态实现高性能电池等。

4.在有机和无机/有机异质结构纳米器件的界面科学与工程、大面积纳米器件的构筑、组装方法，纳米器件的互连、集成、纳米电路的构筑方面提出了一系列具有我们自己特色的方法和技术，特别是大面积的电路集成和互联是我们首先提出尝试。

（四）可行性分析：

通过前期研究工作的积累给本项目的实施打下了坚实的基础，我们已经在材料的制备方法和器件构建方面建立了一系列的制备和构建技术，特别是在大面积、大尺寸有序结构有机纳米材料生长和自组装方面走在了研究的前列，并针对该研究领域中的一些主要科学问题和难题提出了相应的解决方案。

在有机纳米结构和有机半导体/无机半导体功能材料的分子聚集态结构的制备和器件构建方面创造性地发展了一些具有鲜明特色和具有自主知识产权的方法，获得国际同行的高度评价并在国际上产生影响。

本项目提出的整体研究方案可行性强，通过本项目的实施，完全有可能实现大面积、大尺寸、高性能有序阵列结构材料与器件的制备方面的突破和跨越。

（五）课题设置

本项目拟设四个子课题，与本项目相关的理论分别揉合进各个课题，做到理论与实验的密切配合.具体课题设置如下：

我们提出四个课题在深层次上交叉，建立课题组间的交流互访制度，我们认为四个课题中功能导向的高有序有机纳米材料的构筑是整体研究工作的基础；

大尺寸高有序功能纳米材料的自组装生长机理和性能调控是研究工作桥梁；

纳米器件的关键科学问题研究主要是有效解决器件集成中的关键技术问题，并对新型器件的发展具有导向性，属超前部署。

这几方面的研究相互联系，相互交叉，项目的组织实施将围绕关键科学问题，注重“基础研究，发展关键技术”的总体思路，加强课题组间具有不同学科背景的人员在化学、物理与材料等学科的交叉与合作，注重原始创新研究。

凝练科学目标，重视课题间前后衔接和团队攻关。

课题1：

功能导向分子材料设计、合成

研究目标：

继续人工类石墨烯纳米带有机功能分子的合成，实现具有独特光电性能的多种类石墨烯纳米带类有机功能分子的高效合成和宏量制备。

研究内容：

本研究主要是通过有机纳米材料关键功能单元的设计、合成和功能调控，建立有机纳米材料关键功能单元的高效合成方法，为大面积、高有序有机纳米材料定向、定维自组织生长提供坚实的材料基础。

研究分子结构与纳米结构的变化规律和功能单元结构与性能关系。

如何通过向分子中引入响应基团，调控分子间的相互作用和分子的聚集方式，进而调控分子纳米结构和功能。

揭示分子聚集或组装体形成有机纳米及介观低维结构的微观机制，特别是尺寸、形貌和聚集态结构的调控机制。

有机纳米低维结构的尺寸、形貌以及分子聚集方式等因素对电子基态、激发态的影响规律。

选择光、电功能优异功能分子进行有序结构及异质结构组装，揭示在胶体、固态下的光物理过程，及分子内和分子间的协同效应；

同时充分理解外界条件对这些性质的影响和响应，在此研究基础上，发展这些体系的大面积、有序结构生长，通过对组装、生长机理和过程的探讨，建立自组装和纳米结构生长的新概念、新方法。

经费比例：

25%

承担单位：

中国科学院化学研究所

课题负责人：

王朝晖

学术骨干：

赵永生、钟羽武、刘子桐、陈鹏磊

课题2：

大尺寸有序纳米材料的自组装方法学和性能调控

在有机、有机/无机功能分子体系聚集态多层次和多尺度上研究其纳米结构和性能的关系，发展定向、维数可控、大面积、高有序自组装生长的关键技术，建立具有自己特色的高效生长大面积、高有序有机、有机/无机功能纳米结构的机理和关键技术。

发展重复性好、可大尺寸组装高度有序的有机功能纳米结构和材料技术，建立生长、组装和自组装新技术和新方法，如尺寸与结构可控的有机纳米结构制备，新的定向、定维自组装技术，大面积有机功能低维有序纳米材料。

从微观到宏观，揭示有机功能纳米材料的本质，复合异质结构中的超晶格材料的控制生长，超分子组装中的分子聚集态的趋向，功能有机纳米尺度超结构的形成，大面积、多层次有序纳米结构自组装与界面问题。

对功能有机，和有机/无机异质结纳米材料的形成机理、自组装过程和动力学进行探索，从理论上进行模拟，发展有机纳米材料有序结构的形成机理相关理论，大面积有序纳米结构微结构与界面问题，掺杂和缺陷对自组装特性的影响等。

结合生物大分子（如DNA与多糖）的自组装特性与共轭聚合物材料的优良光电性能，构建二维及三维有序结构生物复合智能材料，研究功能分子结构与聚集态纳米结构间的变化规律，原位、实时地控制它们的组装过程及其纳米结构与性能。

王树

李玉良、何圣贵、刘辉彪、张斌

课题3：

大面积纳米结构材料在光电和信息器件中的应用

纳米器件与制造是纳米科技中的前沿和核心研究领域，能够有力推动纳米材料、纳米加工、纳米检测、纳米物理等其他纳米科学分支的迅速发展。

实现2－3类核心