泰山学者特聘专家工作计划书

1、泰山学者特聘专家工作计划书王传奎一、背景概述将以分子材料作为重点研究对象。 分子材料属于纳米材料， 包 括了有机、无机、生物分子材料。分子反应动力学将从理论的角度 研究分子材料的形成过程，实验研究将制备分子材料并对分子材料 进行表征，分子光子学与分子电子学将研究分子材料的光电特性， 为分子材料的应用打下基础。分子（有机分子，无机分子，有机金 属络合物，生物大分子等）是一个稳定的量子体系，具有丰富的光 电特性。分子种类丰富，且易于合成和裁剪。自然界很多过程都是 在分子层次上完成，如化学反应过程、生命过程等。随着科学技术 的发展，如纳米技术和超快激光技术等，在分子层次大量开展科学 研究的时机已经来

2、临。与分子有关的基本问题研究既是纳电子学的 重要研究内容，也为其它交叉学科提供理论支持。与分子有关的重 要科学问题包括了分子内的电荷转移、分子光电性质、分子光谱、 分子的磁性、分子的应用研究等，也是隶属于国家中长期发展规划 中的重大科学研究计划。我们在分子电子学、分子反应动力学、外场中的原子动力学研 究、高激发态能谱计算、多原子分子的多光子电离研究、光电功能 材料与器件等领域都取得了创新性成果，在国内具有一定影响。近 年来，承担了 16 项国家自然科学基金项目和国家自然科学基金重 大项目专题， 2 项国家 973 分课题， 5 项国际合作项目， 30 多项省 部委项目。通过省级鉴定项目 12

3、项，共获省部级科技奖 6 项。主要学术成就包括：1）建立和发展了可以系统研究单分子各种电导行为的新理论和计算方法。 首次指出了电极维度对单分子伏安特性的影响,提出和证明了利用轨道对称匹配实现分子整流效应的新方法，发展了描述 单分子结微观结构的非弹性电子隧穿谱技术，自主开发了 QCME 软件包。2）对分子的非线性光学性质给出了较全面的理论研究， 阐明了 分子材料双光子吸收性质与结构的关系，所提出的分子设计思想被 广泛引用。3）建立了超短超强激光与分子相互作用的计算方法， 揭示了分 子的双光子吸收截面与激光脉冲参量的关系。发展了分子光电子能 谱理论，标定了各向异性反冲速度、转动以及溶液中分子间相互

4、作 用引起的光电子能谱的分裂和展宽。二、总体思路和计划1、总体思路：技术路线： 在分子电子学研究方面，我们拟利用 SIESTA程序进 行基于密度泛函理论的分子动力学模拟，该方法相比于基于力场的 动力学方法而言，其优点是原子之间的力是通过密度泛函理论计算 得到。分子动力学模拟过程可以从分子开始吸附到电极界面上开始， 考虑更多的自由度，因此能给出更准确的几何构形。在分子结非弹性电子隧穿谱研究方面，我们已发展了相应的理 论方法，并建立了程序包（ Quantum Chemistry for MolecularElectronics （QCME-V1.1） 。该方法采用了简谐近似和跃迁矩阵元 的微扰方法

5、近似，适用于低温情况和电子非共振隧穿情况。对应于 温度较高情况，对于频率较低的模式我们拟考虑较高振动激发态， 对波函数展开时考虑到二次项。对于电子近共振隧穿的情况，与振 动有关的跃迁矩阵元需要严格计算。在单分子结电输运性质的研究 方面，我们拟采用基于密度泛函理论的非平衡格林函数方法 （TranSIESTA程序）计算单分子结的伏安特性。单分子结的几何构 形来自于分子动力学模拟的结果。从而可以研究分子与电极的接触 细节以及外部因素对单分子结电输运性质的影响。在分子材料光学性质研究方面，利用响应场理论，在密度泛 函理论水平上，计算有机分子的基态和激发态的电子结构，该 计算可利用 DALTON 量化程

6、序包完成。对于有机金属络合物三 重态的电子结构，特别是激发态的性质，需要进一步发展计算 方法。数值求解麦克斯韦 - 布洛赫方程，得到粒子数分布和激光 场的演化情况。从而得到输入光强与输出光强的关系，通过拟 合得到分子的双光子吸收截面。选择不同参量的脉冲，可研究 分子双光子吸收截面与脉冲的强度、宽度、形状以及传播的距 离的关系。在处理有机金属络合物时，需要考虑单重态和三重 态，因此需要考虑较多的分子能级。求解布洛赫方程变得很困 难，可以用速率方程替代布洛赫方程，从而数值求解麦克斯韦 速率方程。关键技术： 利用基于密度泛函理论的分子动力学方法来模拟分 子与电极的接触细节。发展适用于温度较高情况和电

7、子近共振隧穿 情况的非弹性电子隧穿谱理论方法。揭示单分子结非弹性电子隧穿谱与其微观结构的关系建立理论与计算方法， 数值求解三维 Maxwell-Bloch 方程和 表征分子材料双光子吸收截面的动态值；揭示与三重态有关的 双光子吸收机制以及强度；不同参数的激光脉冲与强双光子吸 收分子材料的非线性相互作用的新现象和新机制2、工作计划：2016.1 2016.12 对于实验使用的分子与电极的组合，如 硫醇基（ -SH ）、胺基（ -NH2 ）、羧酸（ -COOH ）、碳（ -C）等 和 Au 、 Pt 电极，在分子结的形成过程中和分子结受外部因素影响 时，利用基于密度泛函理论的分子动力学方法模拟分子

8、与电极界面 的接触细节。重点考虑分子的吸附位置、电极原子的结构变化、分 子的倾斜状态以及分子与电极成键的类型等。选择实验研究体系为 对象，利用我们已发展的非弹性电子隧穿谱理论方法计算单分子结 的非弹性电子隧穿谱，为揭示单分子结非弹性电子隧穿谱与其微观 结构的关系积累数据。在第一性原理的基础上量化计算有机分子 基态和激发态的电子结构，建立计算方法，计算有机金属络合 物三重态的基态和激发态的电子结构。计算有关分子材料的单 分子的双光子吸收截面，与实验结果做初步比较，并继续丰富 分子结构与性质的关系。2017.1 2017.12 通过理论计算的非弹性电子隧穿谱与实 验测量结果的比较，检验分子动力学方

9、法模拟的结果，调整和扩展基于密度泛函理论的分子动力学方法模拟程序。以分子动力学模拟 给出的单分子结微观结构为基础，利用基于密度泛函理论的非平衡 格林函数方法计算单分子结的电输运性质，解释实验结果，为揭示 分子与电极界面的接触细节与单分子结电输运性质的关系积累数 据。考虑温度较高和电子近共振隧穿情况，初步发展非弹性电子隧 穿谱理论方法。 建立数值求解三维麦克斯韦方程和布洛赫方程 （或 速率方程）方法并编写程序。2018.1 2018.12 发展适用于温度较高情况和电子近共振 隧穿情况的非弹性电子隧穿谱理论方法。发展在从头算水平上研究 分子质子化或去质子化效应的计算方法，编写程序。继续结合实验 工

10、作，计算单分子结的电输运性质和非弹性电子隧穿谱。建立研究 方法，研究石墨烯电极与分子相互作用细节，研究石墨烯电极对单 分子结电输运性质的调控机理。理论设计功能性分子器件。计算激 光脉冲在分子介质中的演化规律，模拟分子双光子吸收截面的 动态值，初步确定分子的双光子吸收截面与脉冲激光的强度、 宽度和形状的关系，特别是对于超短脉冲，脉冲的初位相的影 响。2019.1 2019.12 研究分子末端基团与侧基修饰对单分子结电输运性质的调控机理。初步研究溶液 pH 值对单分子结电输运性 质的影响。 选择不同类型的分子， 研究激光脉冲在分子介质中的演化规律， 总结分子的双光子吸收截面与脉冲激光参量的关系。2

11、020.1 2020.12 结合实验工作， 研究溶液 pH 值对单分子 结电输运性质的调控机理。结合前面的工作，总结石墨烯电极和末 端基团与侧基修饰对单分子结电输运性质的调控机理，揭示单分子 结非弹性电子隧穿谱与其微观结构的关系。设计和优化功能性分子 器件。选择强双光子分子材料为非线性光学介质，研究激光脉 冲在分子介质中的演化规律，探索非线性相互作用的新效应和 新机制。总结分子性质与结构关系。三、目标任务1、科研攻关目标：进一步发展非弹性电子隧穿谱理论方法， 深入揭示单分子结非 弹性电子隧穿谱与其微观结构的关系，为建立实验和理论相结合的 单分子结微观结构表征技术打下基础。展现末端基团和侧基修饰

12、引 起的接触细节的变化情况，探究石墨烯电极和末端基团与侧基修饰 对单分子结电输运性质的调控机理，设计出结构稳定和电导性好的 功能分子器件。进一步发展有机分子（有机金属络合物）双光子 吸收特性的理论研究工作， 解释实验结果， 寻求分子的双光子吸收 性质与激光脉冲的强度、脉宽和形状等参量的关系，理解分子三 重态对有机金属络合物双光子吸收的作用，完善分子结构与性质的关系，探索该类分子材料在非线性光学领域里的应用条件和应用前景。在此基础上设计分子器件和具有特定非线性光学 性能的分子材料， 在分子材料的制备、 分子器件的设计与测量以及 基本理论和方法的建立等方面取得一系列创新性成果。2 、科技成果目标：

13、 发表高水平研究论文 10 篇左右，获得山东省优秀博士学位论 文 2 篇，获得省部级以上科技奖励 3 项。3、团队建设目标： 采用引进人才和自己培养等方式，围绕着重点研究内容，建立 一支创新研究群体队伍，成为山东省创新团队，争取成为国家自然 科学基金委的创新研究群体。4 、学科平台建设目标： 建设一个省级重点学科。5 、经济社会效益目标：培养硕士研究生 50 余人和博士研究生 10 余人。四、保障措施 学校将在认真签订工作合同、明确约定双方权利和义务的基础 上，从实际出发，认真落实各项政策措施，将积极为特聘专家到岗 工作提供便利，创造良好的工作条件。在经费学校严格遵照省委组织部关于规范和加强泰

14、山学者建 设工程专项经费管理使用的通知 （鲁组通字2007 37 号）和关 于规范和加强海外高层次人才资助专项资金管理使用的通知 （鲁组 发 2010 45 号）等规定，将省拨经费单设账户，专款专用，并 为泰山学者足额配齐配套经费，同时从科研条件、仪器设备等方面 给予重点支持。为进一步稳定和发挥高层次的作用，我校对服务期 内全职泰山学者每年增发 10 万元的岗位津贴、兼职泰山学者 5 万 元的岗位津贴，倾力支持泰山学者的各项工作。二是不断加强团队建设。学校根据学科建设和科学研究需要， 尊重泰山学者特聘专家意愿，兼顾学术水平和梯队结构需要，认真 进行学术骨干的选聘和科研团队的组建工作。学校在引进人才和职 称评聘方面，对“泰山学者”设岗学科给予政策性倾斜。学校将组 建泰山学者海外特聘专家为核心、以具有博士学位的中青年教授为 主体、由 4 6 位学术骨干组成的科研团队。三是花大气力加强平台建设。具有深厚的历史积淀、高水平的 科研队伍、精良的实验设备条件和良好的学科发展趋势，本身已经 为泰山学者海外特聘专家发挥作用搭建好了优良的基础平台。 同时， 学校和学院还在泰山学者海外特聘专家上岗后，根据需要不断加强 实验室建设以及仪器设备、图书资