基于扫描探针技术的纳米表征新方法研究.doc

项目名称：基于扫描探针技术的纳米表征新方法研究首席科学家：白雪冬 中国科学院物理研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容本项目发展和利用扫描探针技术，研制高时空分辨、原位动态的纳米表征仪器，建立纳米表征的新原理和新方法；并利用开发的纳米表征技术，研究前沿科学问题。拟解决的关键表征技术、科学问题和主要研究内容有：1、 发展原子尺度表面电子态表征技术1） 发展afm 的qplus 技术，解决qplus 技术发展中遇到的问题，包括（1）降低qplus 实验中电流和力信号间的串扰问题；（2）低噪声qplus 信号的测量；和（3）qplus 传感器的实验参数标定问题等。运用qplus 技术实现短程化学的测量，表征表面电荷分布和电子结构特征，定量化研究表面吸附原子分子与afm 针尖间的物理和化学作用力特征，实现对表面吸附原子分子与基底间电荷转移、以及原子分子吸附物在表面扩散能垒的测量，揭示电荷传输与转移的动力学机制。2） 开发动态谐振调频/调相afm 技术，实现二次谐波成像，获得afm 原子像，并利用它进行多体系的纳米力学测量；发展导电afm 技术，测量表面/界面局域电输运性质。2、 发展空间分辨表面激发态动力学过程表征技术发展超低温超快激光耦合stm 技术，结合超快激光的时间分辨与stm 的空间分辨，实现时间和空间上的高分辨探测和操纵手段；研究单个纳米结构受激充放电过程及由此引起的吸附构型和形貌的变化；在皮秒-纳秒时间尺度上探测激发态时间响应过程，研究纳米体系光激发及相关动力学过程。3、 研发单个纳米结构单元性质-结构对应关系表征技术开发高分辨透射电镜中扫描探针技术，研制透射电镜原位光电测试系统，实现原位微区光学测量（包括阴极发光、电致发光和光致发光）、电学测量、光电转换性质测量和探针操纵功能；研制光-机-电一体化扫描探针，提高信号的收集效率，增加检测信号的强度，在原子结构分辨的条件下实现纳米材料的多物性测量；表征界面离子传输、界面电化学和光电化学的微观过程。4、 发展纳米尺度物性与多场耦合性质测量技术在纳尺度光电高分辨测量方面，研制低温扫描近场光学显微镜与高分辨光电流谱的联合系统。一要突破光的衍射极限，二要提高对微弱信号的检测能力。对于利用有孔径探针的snom，提高光的透射率和提高探针系统的稳定性。对于无孔径金属探针而言，关键问题是金属探针的表面等离子体共振增强机理、增强型金属探针的设计、以及探针与激发光和探针定位下的纳米结构的相互作用；在纳尺度热、电、声测量方面，建立纳米尺度热学-声学原位定量表征技术，开展纳米材料亚表面结构显微成像及微区弹性、热学特性的高分辨率声学、热学显微成像，研究近场声学、热学显微成像机制，原位实时评价电场、温场等外场下纳米材料电子态所诱导的载流子输运行为，揭示微结构动态演化机制及其相互作用的影响规律，阐明纳米尺度结构变异与纳米尺度功能响应之间的本质关联；在纳米尺度磁、电、力、光耦合性质测量方面，设计制作一套可同时施加磁场、电场、应力、光的变温测量探针台，实现多铁纳米材料光、机、电、磁、应力、温度等多场耦合性质的测量。5、探索纳米表征的新原理和新方法结合量子力学和经典理论计算，系统研究纳米材料和纳米结构的表面效应、界面效应、尺寸效应和量子效应等引起的性质、现象和过程，探索适合纳米材料物性测量新原理和新方法。二、预期目标本项目的总体目标是，从纳米材料最基本的电子结构和电子态激发态动力学过程的探测数据出发，综合分析原位外场下高时空分辨的性质、现象和过程的表征结果，建立纳米表征原理和方法模型，并自主研发相应的高分辨表征测量技术和仪器设备，做出重要的原始创新性成果，取得有国际影响的重大突破，提升我国在高精尖纳米分析测试仪器设备制造方面的能力和水平，并提升我国自主创新和自主开发核心技术的能力，为我国纳米科技的发展提供可持续的技术支持。同时，希望通过组织这一项目，凝聚在扫描探针技术和纳米研究领域的重要研究力量和技术储备，达成优势互补，互通有无。锻炼出一支高水平且有国际竞争力的研究队伍，培养优秀的且具有国际水准的学术带头人，并培养优秀的研究生和博士后，充实我国纳米科技的研究队伍和纳米科技产业化的专业队伍。五年预期目标如下：1、发展先进的纳米表征技术1）先进原子力显微镜技术完成动态谐振调相模式afm 的设计制作，实现多次谐波成像，获得原子分辨像，测量纳尺度下的各种短程力和长程力；发展并运用qplus 技术，在原子尺度表征表面结构和电子态，测量短程化学力和分子力；发展导电afm，测量表面/界面局域电输运性质。2）超快激光耦合扫描隧道显微镜技术实现具有空间分辨的超快动力学表征技术，通过耦合低温超高真空stm，实现皮秒-纳秒时间分辨、原子级空间分辨、及电子态能量分辨等多维度综合测控技术；实现对纳米系统的电子激发态（涉及单粒子激发态和集体激发态）和动力学过程的时间和空间上的探测与分析，在一些简单原位可以制作的体系上获得基本物理过程的理解。3）高分辨透射电镜中的扫描探针技术研制完成高分辨透射电镜与扫描探针光电测试联合系统，实现原子结构与性质一一对应的原位表征，表征结构包括表/界面和体结构，测量功能包括单个纳米结构单元的电学性质、光学性质和光、电相互转换特性等；开发光机电一体化扫描探针，实现微区操纵和纳尺度光、机、电耦合性质的测量；利用原位外场条件，在原子水平观察界面离子交换和界面电化学、光电化学的微观动态过程。4）纳尺度物性与多场耦合性质的探针测量技术发展低温扫描近场光学显微镜及其与光电测试联合系统。寻找提高近场光学成像的分辨率和增加其稳定性的新原理和新方法，利用低温扫描近场光学显微镜测量半导体纳米结构的近场形貌与近场发光特性和金属表面等离激元光学器件的光学特性，探测受限体系中电子输运行为及量子特性；发展和建立基于spm 的纳尺度弹性与热学特性原位定量表征技术，研究外场下纳米材料电子态诱导的载流子输运行为与微结构演化机制；设计制作可以原位施加磁场、电场、光、应力的变温探针台，原位研究多铁材料纳米结构磁场、电场、光、应力、温度等多场耦合与调控性质。2、 研制六种先进的纳米表征仪器，技术指标分别如下：1）调频/调相模式原子力显微镜：结构分辨率：实现二次谐波信号成像，获得si(111)-7x7 原子像；力分辨率：pn。2）超快激光耦合扫描隧道显微镜：时间分辨范围：200 fs 至1 ns；原子级空间分辨：1；温度：15 k；超高真空：10-10 torr。3）透射电镜与扫描探针光电测试联合系统空间分辨：0.2 nm;探针移动精度：1 nm;光谱检测波长范围：紫外到中红外；光信号检测强度：检测到单根纳米线发光；动态观察分辨率：可观察到电场下离子的迁移过程。4）低温扫描近场光学显微镜光电测试系统光学分辨率： 50 nm;光学照射面积: 100 nm;光电流信号: 0.1 na;低温：6 的论文20 篇以上，其它文章80 篇以上。本项目也将积极参与国家实验室和创新基地建设。三、研究方案本项目研究的学术思路是，发展利用扫描探针技术，从表面电子态及其激发动力学过程的探测到单个纳米单元原子结构-性质的表征，再到纳尺度物性与多场耦合性质测量这样三个不同层面上开展表征技术研究，即电子结构原子结构纳米结构三个层面，它们在尺度上依次递进放大，前者为后者提供物理基础和设计指导，后者在建立模型时向前者提出探测要求，每个层面又各有自己的技术要求和关注的问题。各个层面在探针技术上相互合作，在科学问题上相互提供数据支持。通过高时空分辨和多尺度、多维度的综合表征结果，结合量子力学和经典理论分析，系统研究表面效应、界面效应、尺寸效应和量子效应等，探究纳米尺度的物性测量原理、方法及其适用判据，开发国际上尚无商业化的仪器。总体研究思路和技术途径如下图所示：总体研究思路和技术途径示意图本项目具体的技术方案是：1、发展先进原子力显微镜技术研发石英音叉的动态afm，具有多种成像模式，如振幅、位相虚部、位相实部、间距等成像模式。利用f(z)谱研究原子分子与针尖化学键力，识别表面元素的化学特征，测量基底表面不同点位与针尖力相互作用的空间分布。发展导电针尖afm，测量表面局域接触电势差，研究局域电学性质。2、研发超快激光耦合扫描隧道显微镜技术在超快时间分辨光耦合stm 的技术方案中，我们将stm 的原子级空间分辨与超快激光的飞秒级时间分辨两个尖端的实验手段有机地结合起来，同时也是光学调控手段和电学调控手段的有机结合，在国际上都属于最新尝试。为获得高度稳定性，除了设计最佳的地面机械减振系统外，在stm 设计上采用在振动稳定性方面性能优异的besocke 设计。这种设计的优点表现在压电陶瓷管的对称分布上，这样可以尽量减少温差引起的漂移。而且，这种开放式扫描探头的设计可兼容多种光收集方案。为减少震动耦合，激光器系统与stm超高真空腔将处于不同的减震平台。利用超快激光泵浦-探测技术，调制脉冲对延时，探测遂穿电流或者荧光光谱的变化。通过该变化曲线，可以在皮秒甚至亚皮秒级精度得到激发态的寿命。对于其他一些激发态过程，如电荷转移等，相应的时间常数可能达纳秒量级。为提高测量信号灵敏度，实验中将使用锁相放大技术，通过延时信号与探测信号的关联测量提高信噪比。3、研制原位透射电镜扫描探针光电测试系统研制仪器的系统主要由透射电镜样品台及其内置的光学测量、光电测量和探针驱动四部分组成。4、发展低温扫描近场光学显微镜与高分辨光电测试系统扫描近场光学显微镜设计在超高真空和液氦杜瓦中，制作连接样品的电极装置，可检测电流和加电压。光通过光纤针尖以100 纳米区域照射扫描样品，此装置可获得样品的光电流变化。探头既可是光纤针尖，又可以是ito 导电针尖，同时可获得发光样品的电子态和光信号。5、发展高分辨扫描探针热电显微镜技术建立了基于spm 的高分辨率三倍频双探针扫描热电显微术，实现热电材料微区热导的定性评价和原位定量测量，研究高性能能源转换材料中有关与热物理特性密切相关的载流子输运等关键科学问题。6、设计制作磁电力多功能探针台可以原位施加磁场（磁场可以360度转角）、电场、光、应力的可变温探针台（温度范围10-500k），原位研究磁场、电场、光、应力、温度对纳米材料磁性和电性的调控。与国内外同类研究相比，本项目的创新点是，将扫描探针技术的优势应用于纳米表征研究中，在原子级空间分辨、飞秒级时间分辨水平探测表面电子态和激发态动力学过程，在单个纳米结构单元的层次表征原子结构与性质的一一对应关系，实现原位多尺度多维度的动态表征，开发几种国际上尚无商业化的仪器，在国内外同类研究中处于先进水平。本项目组很多成员在扫描探针技术上有特长，如qplus 技术、光耦合超快stm 技术、低温stm 高分辨能谱技术、原位tem技术、snom 技术、扫描探针压电-热学-声学显微技术等等。所有成员均是国内纳米研究的中青年骨干力量。综上所述，本项目建立在项目组前期研究的坚实基础与创新性成果之上，项目组成员在扫描探针技术和纳米研究中做出过开创性研究工作。本项目跨学科研究队伍比较集中，对国内外扫描探针技术研究动态与现状有清楚的了解和深入的认识，成员之间已形成了很好的默契和相互合作。有些骨干成员之间已经合作发表了有国际影响的论文或合作申请发明专利，非常有利于本项目的管理和组织。因此，本项目基于扫描探针技术发展纳米表征新方法研究是先进可行的，如能得到资助，项目将会顺利实施，能够取得一系列出色的创新性成果，以该项目为起点平台，在我国打造一支纳米表征技术研究的稳定队伍。课题设置课题一： 先进原子力显微镜技术与应用研究预期目标：本课题将研制一台仪器：动态谐振调频/调相模式原子力显微镜。申请6 项以上专利，在影响因子大于6 的学术刊物上发表5 篇以上论文，其它论文20 篇以上，力争在12 个重大科学问题研究上取得创新性成果。主要研究内容：1、 发展afm 的qplus 技术，在原子尺度测量表面电子态，实现高分辨力/电相关的测量技术。包括：1）降低qplus 实验中电流和力信号间的串扰问题；2）低噪声qplus 信号的测量问题；3）qplus 传感器的实验参数标定问题等。2、 应用qplus 技术测量纳尺度下表面原子/分子与针尖间化学键作用力、表面电荷分布和局域功函数等。3、 研制动态谐振调频/调相afm：设计具有石英音叉、al2o3 和导电针尖的afm结构，开发动态谐振调相afm 技术，实现二次谐波成像，获得afm 原子像，并利用它进行多体系的纳米力学测量。4、 发展导电afm 技术，测量表面/界面局域电输运性质。经费比例： 24%承担单位： 国家纳米科学中心、中国科学院物理研究所课题负责人： 裘晓辉学术骨干：邓珂、郭延军、梁学锦、王晶课题二： 超快激光耦合扫描隧道显微镜技术与应用研究预期目标：本课题将研发一台仪器：超快激光耦合扫描隧道显微镜系统。申请6 项以上专利，在影响因子大于6 的学术刊物上发表5 篇以上论文，其它论文20 篇以上，力争在12 个重大科学问题研究上取得创新性成果。主要研究内容：1、发展超快激光耦合stm 技术研发超高真空低温光耦合stm 系统，完善低温和超高真空设计，优化信号采集和数据处理，完善纳米结构激发态超快时间分辨技术。研究超快脉冲激光对纳米体系隧穿电流激发过程的影响。2、纳米体系光激发及相关动力学过程研究1）利用超快激光激发单个纳米体系，研究激光脉冲对纳米结构表面扩散、吸附构型及形貌变化、表面化学键重构等的影响。在皮秒-纳秒时间尺度上探测激发态时间响应动力学过程。研究单个纳米结构受激充放电过程及由此引起的吸附构型和形貌的变化，以及诱导的荧光光谱等。2）研究nial，cu 或者au 等金属衬底上制备超薄的氧化物和氯化物绝缘层的生长技术和条件优化，及纳米结构的可控生长方法。超薄绝缘层可以调制纳米结构与金属衬底间的耦合，同时还能保证电子能够遂穿。拟研究的纳米结构包括金属纳米颗粒（au，ag 等）、半导体纳米颗粒（如tio2 等）、及卟啉类光敏分子。经费比例： 24%承担单位： 中国科学院物理研究所课题负责人： 陆兴华学术骨干： 郭阳、单欣岩、纪爱玲、江南课题三： 透射电镜中的扫描探针技术与应用研究预期目标：本课题将研制一台仪器：原位透射电镜扫描探针纳米表征系统。申请6 项以上专利，在影响因子大于6 的学术刊物上发表5 篇以上论文，其它论文20 篇以上，力争在12 个重大科学问题研究上取得创新性成果。主要研究内容：1、 透射电镜内置三维扫描电学探针的设计制作。三维扫描探针驱动功能由两部分构造实现，一部分是压电陶瓷片驱动，实现在纵向方向的移动；另一部分是由压电陶瓷管驱动，利用振动模式驱动针尖在两个横向方向的移动，利用压电陶瓷管的弯曲和伸缩实现三维方向的细调。2、 透射电镜内置三维扫描光学探针的设计制作。为提高光纤对透射电镜样品收集信号的效率，增加光纤接受光的立体角或光纤透镜；同时，制作光纤探针代替原有的扫描探针，使光纤直接与样品接触，从而提高收集信号的效率。3、 应用研发的仪器，测量纳米材料界面电学和光学性质，原位表征界面高分辨结构，实现界面光电性质与结构的一一对应，在原子尺度揭示界面光电性质的机理。研究界面光电耦合性质，揭示纳米结构光、电转换特性和光电调控的机理。4、 应用研发的仪器，开展氧离子传输过程的原位直接观察及其对相关物理和化学性质重要影响的研究；研究氧化物界面氧离子和电子的混合传输特性，探索新型器件的原理基础。经费比例： 28%承担单位： 中国科学院物理研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、武汉理工大学课题负责人： 白雪冬学术骨干： 许智、麦立强、曹鸿涛、汪爱英课题四： 纳尺度物性与多场耦合性质的探针测量技术研究预期目标：本课题将研发两台仪器：低温扫描近场光学显微镜和纳米热学-声学扫描探针显微镜。申请6 项以上专利，在影响因子大于6 的学术刊物上发表5 篇以上论文，其它论文20 篇以上，力争在12 个重大科学问题研究上取得创新性成果。主要研究内容：1、发展低温扫描探针近场光学显微镜技术完善液氦温区的近场光学显微镜系统，主要包括：a) 制备高分辨、高通光量的光纤探针及金属化，提高系统的响应能力；b) 完善近场荧光系统，光的激发、接收、微弱信号的检测、数字图像处理；c) 建立非线性光学信号(二次谐波或高次谐波)检测系统；d)解决在较长时间内对微弱信号成像过程中图像的漂移问题。2、高分辨纳米热学-声学扫描探针显微术的开发建立纳米尺度热学-声学原位定量表征技术，开展纳米材料亚表面结构显微成像及微区弹性、热学特性的高分辨率声学、热学显微成像，研究近场声学、热学显微成像机制，原位实时评价电场、温场等外场下纳米材料电子态所诱导的载流子输运行为，揭示微结构动态演化机制及其相互作用的影响规律，阐明纳米尺度结构变异与纳米尺度功能响应之间的本质关联。3、纳尺度磁、电、力多场耦合性质的测量技术研究设计制作可以施加磁场、电场、光、应力的变温探针台，原位研究多铁材料纳米结构磁场、电场、光、应力、温度等多场耦合与调控性质。以多铁材料作为研究实例，研究纳米尺度下铁磁-铁电-铁弹的耦合特性。经费比例： 24%承担单位： 北京大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所课题负责人： 林峰学术骨干： 曾华荣、万青、李润伟、陈斌课题间关系围绕项目的总体目标，发展基于扫描探针技术的几个关键技术，从表面电子态及其激发动力学过程的探测到单个纳米功能单元性质-结构关系表征，再到纳米尺度物性与多场耦合性质测量这样三个不同层面上开展表征技术研究。通过综合的高时空分辨和多尺度、多自由度的表征结果，结合理论分析，建立适合纳米尺度材料表征的新技术、新方法及其适用判据，开发国际上尚无商业化的仪器。按上述思路，设臵以下四个课题：（1）先进原子力显微镜技术与应用研究；（2）超快激光耦合扫描隧道显微镜技术与应用研究；（3）透射电镜中的扫描探针技术与应用研究；（4）纳尺度物性与多场耦合性质的探针测量技术研究。四个课题形成从电子结构原子结构纳米结构三个层面开展表征技术研究这样一条主线，前者为后者提供物理基础和设计指导，后者在建立模型时向前者提出探测要求，每个层面又各有自己的技术要求和关注的问题。各个层面在探针技术上相互合作，在科学问题上相互提供数据支持。基于三个层面的表征结果，实现高时空分辨和多场条件下的性质、现象和过程的综合表征。课题三在界面和体结构分辨的环境下开展单个纳米结构的物性测量研究，可起到联系前后课题的桥梁纽带作用。四个课题间关系密切，彼此相互补充，相互支持，形成一个多尺度、多维度、高时空分辨表征技术研究的有机整体，用图示概括如下：四个课题间的关系简图四、年度计划研究内容预期目标第一年在纳米表征技术研究方面，发展qplus-afm技术，着重解决实验中的关键技术问题：降低qplus-afm实验中电流和力信号间的串扰问题；qplus-afm信号的低噪声测量；qplus-afm传感器的实验参数标定等；利用超快光谱技术进行特征样品的时间分辨测量；完善原位透射电镜扫描电学探针的设计制作，提高扫描探针的稳定性和扫描探测范围；低温扫描近场光学显微镜的研制，着重于真空腔体中压电扫描特性；高分辨率纳米热学-声学显微成像研究；针对多场耦合测试技术，对国内外相关研究工作进行综合调研，优化纳米尺度磁电力光热多场耦合测量技术整体方案，设计并购置低温探针台主机系统。在纳米表征的材料基础方面，制备原子级平整的nial, cu ,au，ag等单晶表面；在nial，cu 或者au 等金属衬底上制备原子级平整的超薄氧化物和氯化物等绝缘层；利用低温吸附和外延生长技术，在绝缘层上生长金属纳米结构（au，ag等），沉积半导体纳米颗粒（如tio2等），吸附卟啉类光敏分子等；开展光电功能纳米结构和离子型导体材料的制备研究。在纳米表征技术方面，完善和优化商品化仪器qplus-afm技术，实现原子分辨成像和极微弱力的精确测量；实现特征样品的超快光谱测量；提高原位透射电镜电学测量的能力，既能对纳米材料结构单元/材料微区进行操作和电学测量，又具有稳定的原子结构分辨能力；获得在真空腔体中扫描近场光学图像，提高其光学分辨率；揭示纳米近场热学、声学成像机理；获得纳米尺度磁电力多场耦合测量技术整体方案，完成低温探针台主机系统设计和购置。在纳米表征材料基础研究方面，完成原子级平整的nial, cu ,au，ag等单晶表面的制备；获得nial，cu 或者au 等金属衬底上原子级平整的超薄氧化物和氯化物等绝缘层；实现在绝缘层上生长金属纳米结构（au，ag等），沉积半导体纳米颗粒（如tio2等），吸附卟啉类光敏分子等的制备；制备出特定功能的半导体纳米线和薄膜、氧化铈和硅、钒氧化物等纳米材料。第二年利用qplus-afm技术f(z)谱研究原子/分子与针尖化学键力，识别表面元素的化学特征；开发动态谐振调相afm技术，实现高次谐波成像，进行纳米力学测量；优化低温和超高真空设计，提高信号采集和数据处理能力，完善超高真空低温光耦合stm 系统；利用高分辨stm表征金属/超薄绝缘层/单分子纳米体系的空间构型以及电子局域态密度谱；测量单个分子以及纳米结构受隧穿电子或光子激发引起的充放电过程；利用超快激光激发单个纳米体系，研究激光脉冲对纳米结构表面扩散的影响；设计制作原位透射电镜扫描光学探针；开展纳米材料光电性质机理研究；探索新型纳米结构和器件的加工测量方法；低温扫描近场光学显微镜的研制，着重于在低温下压电扫描特性；纳米热学定量表征技术研究；在低温探针台主机系统基础上，根据多场耦合性质测量需求，增加磁场、电场的施加、检测及控制部件，以及整体安装调试。发展原子/分子尺度上的化学识别技术。完成低温超高真空系统的优化；实现金属/超薄绝缘层/单分子纳米体系的stm表征；完成单个分子以及纳米结构受隧穿电子或光子激发引起的充放电过程的探索；完成单个纳米体系光激发后在表面扩散规律的研究；实现原位透射电镜材料微区/单根纳米线的光学性质和光电转换性质测试；演示光、机、电耦合和相互调制的实验现象，揭示其微观机理；实现一种基于新原理设计的非常规结构或器件的加工制作方法；获得在低温下扫描近场光学图像，提高扫描的稳定性和可重复性；建立微区热电物理参量定量表征技术，实现热电材料微区热导、微区塞贝克系数的原位定量表征、微结构的高分辨热学显微成像；获得同时施加磁场、电场、温度的探针装置。第三年探测半导体和金属氧化物材料表面原子吸附位的功函数信息和吸附势垒分布，研究原子/分子在表面扩散过程。研究afm探针与表面间的局域能量耗散特性，揭示原子在材料表面的摩擦和粘附机理；研究激光脉冲对单分子体系吸附构型及形貌变化的影响；研究激光脉冲对单分子体系表面化学键重构等的影响；测量隧穿电流诱导的单分子荧光光谱；发展单分子/纳米结构激发态超快时间分辨技术；研制原位透射电镜光机电三维扫描探针装置；研究纳米材料和纳米结构的新奇光学性质与机理；探索基于新原理的换能器件；完善液氦温区的扫描近场光学显微镜系统，开展光电联合系统的研究；纳米声学定量表征技术显微成像研究；利用磁电力多场耦合测试系统来研究多铁性材料中的多场耦合效应，重点研究力热光电磁作用下多铁材料的铁电性和压电性的变化规律。研究半导体、氧化物的表面结构、缺陷、吸附物的电子态特性；完成激光脉冲引起的单分子体系吸附构型及形貌变化、化学键重构等规律的研究；实现隧穿电流诱导的单分子荧光光谱的测量；实现皮秒-纳秒时间分辨、原子级空间分辨、及电子态能量分辨等多维度综合测控技术；制作完成光机电光纤探针，实现纳米材料光电性质与原子结构的一一对应关系表征，揭示纳米新现象的机理；完成一种重要的新型换能器件的设计制备；实现高分辨、高通光量的光纤探针的制作及其金属化，提高系统的响应能力；完善近场荧光系统，光的激发、接收、微弱信号的检测、数字图像处理； 解决在较长时间内对微弱信号成像过程中图像的漂移问题；建立纳米材料微区弹性的原位定量表征技术，实现纳米材料微区弹性的定量表征及亚表面微结构的高分辨声学显微成像；获得同时施加磁场、电场、温度、光照、应力的探针装置。第四年结合f（z）谱和实时stm隧道电流测量，了解吸附原子/分子与半导体表面的电子态杂化和吸附机制，探索从原子团簇到纳米结构生长过程中电子能级结构的演化规律；研