南京大学原子制造物理实验室

南京市鼓楼区汉口路22号，南京大学物理学院

南京大学原子制造研究院是南京大学在苏州校区重点建设的新型研究院，支撑学科为物理学。研究院以学科交叉、产研融合、需求牵引、机制创新为特色，依托物理、化学、材料、电子等南大传统优势学科方向，组建一支创新研究队伍，基于单原子、原子团簇、原子层和原子级组装等前沿研究，设置（1）原子团簇：精选束流工艺与开发（2）原子级基元可控组装与极限材料（3）原子级芯片：器件设计与工艺装备三大方向，分别探索从原子到微观、介观和宏观的制造，系统构建原子尺度相互作用的理论体系，攻关突破原子与原子级操控的基础关键技术，开发一批颠覆性、战略性兼具的产品、工艺和装备，并筹建“原子制造”学科方向和原子极限微制造重大科技基础设施（简称原子制造大装置），争取在国内外率先研发原子（级）制造这一终极技术，力图引领国际科技前沿、满足国家重大需求并服务我国和江苏地方经济。

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基于团簇的原子制造基础研究

原子团簇是包含数个乃至数万个原子的结构稳定的微观聚集体。多年来我们一直在团簇的基础研究领域探索，包括团簇的制备、团簇结构与性能优化、团簇光学性质、团簇磁性超导以及团簇催化性质的研究，同时也引入低温输运装置进行了单团簇单分子电子学、单分子电子输运及器件设计相关领域的研究。

主要代表工作：

01. F. Song, M. Han, M. Liu, B. Chen, J. Wan, G. Wang, Experimental Observation of Nanojets Formed by Heating PbO-Coated Pb Clusters, Physical Review Letters 94(9):093401 (2005), DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.093401

02. F. Song, T. Wang, X. Wang, C. Xu, L. He, J. Wan, C. Van Haesendonck, S. P. Ringer, M. Han, Z. Liu, G. Wang, Visualizing plasmon coupling in closely spaced chains of Ag nanoparticles by electron energy-loss spectroscopy, Small 6(3):446-451 (2010), DOI: 10.1002/smll.200901639

03. F. Song, X. Wang, R. C. Powles, L. He, N. A. Marks, S. Zhao, J. Wan, Z. Liu, J. Zhou, S. P. Ringer, M. Han, G. Wang, Calibrating the atomic balance by carbon nanoclusters, Applied Physics Letters 96(3):033103 (2010), DOI: 10.1063/1.3284498

04. Y. Qin, J. Han, G. Guo, Y. Du, Z. Li, Y. Song, L. Pi, X. Wang, X. Wan, M. Han, F. Song, Enhanced quantum coherence in graphene caused by Pd cluster deposition, Applied Physics Letters 106(2):023108 (2015), DOI: 10.1063/1.4905868

05. Y. Qin, S. Wang, R. Wang, H. Bu, X. Wang, X. Wang, F. Song, B. Wang, G. Wang, Sizeable Kane–Mele-like spin orbit coupling in graphene decorated with iridium clusters, Applied Physics Letters 108(20):203106 (2016), DOI: 10.1063/1.4950870

06. K. Zhang, C. Wang, M. Zhang, Z. Bai, F.-F. Xie, Y.-Z. Tan, Y. Guo, K.-J. Hu, L. Cao, S. Zhang, X. Tu, D. Pan, L. Kang, J. Chen, P. Wu, X. Wang, J. Wang, J. Liu, Y. Song, G. Wang, F. Song, W. Ji, S.-Y. Xie, S.-F. Shi, M. A. Reed, B. Wang, A Gd@C82 single-molecule electret, Nature Nanotechnology 15(12):1019-1024 (2020), DOI: 10.1038/s41565-020-00778-z

07. S. Lu, L. Xie, K. Lai, R. Chen, L. Cao, K. Hu, X. Wang, J. Han, X. Wan, J. Wan, Q. Dai, F. Song, J. He, J. Dai, J. Chen, Z. Wang, G. Wang, Plasmonic evolution of atomically size-selected Au clusters by electron energy loss spectrum, National Science Review 8(12):nwaa282 (2021), DOI: 10.1093/nsr/nwaa282

08. Y. Bai, F. Fei, S. Wang, N. Li, X. Li, F. Song, R. Li, Z. Xu, P. Liu, High-harmonic generation from topological surface states, Nature Physics 17(3):311-315 (2021), DOI: 10.1038/s41567-020-01052-8

面向拓扑功能的原子制造基础研究

拓扑材料及其新颖的量子物态是凝聚物理研究中重要的前沿方向之一，由于其独特的物性，使得在未来的电子学、自旋电子学等方面具有重要的应用前景。我们课题组在这一领域长期工作，研究的材料体系包括了拓扑绝缘体材料、磁性拓扑绝缘体材料、拓扑半金属等等。拓扑绝缘体是存在一个具有奇异拓扑数的体相能带。拓扑绝缘体表面存在狄拉克型的传导载流子，这种受时间反演对称性保护的拓扑表面态具有低能量耗散、背散射禁戒、自旋动量锁定等性质。因而在自旋电子学和量子计算机中具有潜在的应用价值。

课题组生长出了体相绝缘的拓扑绝缘体材料、高质量的磁性拓扑绝缘体材料、能带优化的二类拓扑半金属材料等，相关指标达到相对领先水平。在这些高质量的拓扑材料体系中，课题组通过调控温度、角度、栅压、磁场和光等外部参量，以及表面修饰等方式，实现了对拓扑材料的输运研究，探索了其独特的介观输运现象，包括WL/WAL、AB效应、UCF效应等量子相干输运，量子霍尔效应、陈绝缘态等弹道输运。这些工作的开展将有助于拓扑材料相关器件的应用与开发。

主要代表工作：

01. Taishi Chen, Qian Chen, Koen Schouteden, Wenkai Huang,Xuefeng Wang, Zhe Li, Feng Miao, Xinran Wang, Zhaoguo Li, Bo Zhao, Shaochun Li,Fengqi Song*, Jinlan Wang*, Baigeng Wang*, Chris Van Haesendonck,Guanghou Wang,"Topological transport and atomic tunnelling–clustering dynamics for aged Cu-doped Bi2Te3 crystal", Nature Communications, 5, 5022 (2014).

02. Xing-Chen Pan, Xuliang Chen, Huimei Liu, Yanqing Feng, Zhongxia Wei, Yonghui Zhou, Zhenhua Chi, Li Pi, Fei Yen, Fengqi Song, Xiangang Wan, Zhaorong Yang, Baigeng Wang, Guanghou Wang & Yuheng Zhang,"Pressure-driven dome-shaped superconductivity and electronic structural evolution in tungsten ditelluride", Nature Communications 6, (2015).

03. Fucong Fei, Zhongxia Wei, Qianjin Wang, Pengchao Lu, Shuangbao Wang, Yuyuan Qin, Danfeng Pan, Bo Zhao, Xuefeng Wang, Jian Sun, Xinran Wang, Peng Wang, Jianguo Wan, Jianfeng Zhou, Min Han, Fengqi Song*, Baigeng Wang*, and Guanghou Wang"Solvothermal Synthesis of Lateral Heterojunction Sb2Te3/Bi2Te3 Nanoplates ", Nano letters, 15(9), 5905-5911 (2015).

04. Shuai Zhang, Li Pi, Rui Wang, Geliang Yu, Xing-Chen Pan, Zhongxia Wei, Jinglei Zhang, Chuanying Xi, Zhanbin Bai, Fucong Fei, Mingyu Wang, Jian Liao, Yongqing Li, Xuefeng Wang, Fengqi Song*, Yuheng Zhang*, Baigeng Wang*, Dingyu Xing & Guanghou Wang"Anomalous quantization trajectory and parity anomaly in Co cluster decorated BiSbTeSe2 nanodevices ", Nature Communications 8, 977 (2017).

05. Fucong Fei, Xiangyan Bo, Pengdong Wang, Jianghua Ying, Jian Li, Ke Chen, Qing Dai, Bo Chen, Zhe Sun, Minhao Zhang, Fanming Qu, Yi Zhang, Qianghua Wang, Xuefeng Wang, Lu Cao, Haijun Bu, Fengqi Song*, Xiangang Wan*, Baigeng Wang*,"Band Structure Perfection and Superconductivity in Type-II Dirac Semimetal Ir1−xPtxTe2", Advanced Materials, 1801556 (2018).

06. B. Chen, F. C. Fei, D. Q. Zhang, B. Zhang, W. L. Liu, S. Zhang, P. D. Wang, B. Y. Wei, Y. Zhang, Z. W. Zuo, J. W. Guo, Q. Q. Liu, Z. L. Wang, X. C. Wu, J. Y. Zong, X. D. Xie, W. Chen, Z. Sun, S. C. Wang, Y. Zhang, M. H. Zhang, X. F. Wang, F. Q. Song, H. J. Zhang, D. W. Shen, B. G. Wang, "Intrinsic magnetic topological insulator phases in the Sb doped MnBi2Te4 bulks and thin flakes", Nature Communications 10(8), 4469 (2019).

07. S. Zhang, R. Wang, X. P. Wang, B. Y. Wei, B. B. Chen, H. Q. Wang, G. Shi, F. Wang, B. Jia, Y. P. Ouyang, F. J. Xie, F. C. Fei, M. H. Zhang, X. F. Wang, D. Wu, X. G. Wan, F. Q. Song, H. J. Zhang, B. G. Wang, "Experimental Observation of the Gate-Controlled Reversal of the Anomalous Hall Effect in the Intrinsic Magnetic Topological Insulator MnBi2Te4 Device", Nano Letters 20(1):709-714 (2020).

装备发展与应用探索

为了打通基础研究、技术创造、产业化的内在衔接，实验室正在进行一系列的装备发展和应用探索。其中包括二维异质结自动化系统、团簇宏观量制造装置、基于团簇的亚5纳米集成电路加工工艺装置、基于团簇的材料基因组、合金团簇研究以及利用团簇的低温焊接技术等等。这些装备与应用的研究将进一步提高我们对原子层面物质的操控、加工、制造的能力，并且尽快的释放原子制造技术的潜能来为社会提供极具创新的应用价值。

主持项目

2022年主持国家级科研项目“基于原子团簇的单分子电学器件研究”

2021年主持国家级科研项目“实验原子团簇物理学的研究”

2018年主持国家级科研项目“原子团簇-狄拉克电子体系复合系统的强磁场输运及新奇量子态研究”

2017年主持国家级科研项目“原子制造论证，形成近期和远期规划”

2016年主持国家自然科学基金优秀青年基金“实验团簇物理学”，150万元

2015年主持国家自然科学基金重大研究计划培育项目“原子团簇修饰石墨烯及量子霍尔响应的实验研究”，100万元

2013年主持国家重大科学研究计划课题“原子分子团簇及组装体系的自旋/电荷序及其调控”，624万元

2011年主持国家自然科学基金面上项目“1keV/atom 以下的团簇离子注入固体极浅表面的过程研究”，42万元

2007年主持国家自然科学基金面上项目“团簇液体纳米喷射的机理及相关的液体纳米尺度输运过程”，35万元