课题组结合近年来国际上最新的实验研究结果，紧密围绕原子在材料表面的沉积和生长过程进行深入、系统的研究和分析，取得了一系列国际一流水平的研究成果。主要内容涉及原子在材料表面生长的初始阶段一维量子线的形成、原子岛和原子薄膜的量子尺寸效应、纳米团簇生长模式和金属薄膜量子生长机制等。主要研究成果如下：

（1）从原子尺度上揭示了材料在生长初期的物理规律，发现了金属原子在金刚石表面表现出不同的吸附行为和一种新的扩散机制，理论上预言了在金刚石表面金属原子可能形成一种量子线纳米结构，而这种纳米线结构为费米液体的研究提供了一个理想选择。采用分子动力学方法，研究发现在金属材料同质外延生长过程中，从单个原子到原子团簇都存在向上扩散的趋势，而这种不对称的趋势正是形成表面原子小山的根本原因。上述研究结果不仅丰富了薄膜生长理论，同时也为实验室制备高质量量子薄膜提供了理论基础。

（2）系统研究了当金属薄膜生长至一定厚度时，由量子尺寸效应所引起的体系物理特性的变化及其规律。设计了一种新的处理方法，成功的解决了铅薄膜在半导体锗(111)表面生长的理论计算这一难题，首次实现了实验结果和理论结果的比较，成功解释了薄膜材料对不同高度的选择性。同时，提出了一种新的生长模型（RBBB模型），从理论上预言了Pb薄膜生长层间距将出现“超振荡”现象并被随后的实验所证实。据此研究了铅铋合金薄膜的生长模式和薄膜特性变化，得到了一种薄膜物理、化学特性可以由合金薄膜厚度和组分调控的铅铋薄膜材料。对其超导特性的研究表明，其转变温度随薄膜的厚度表现为双层振荡变化，在国际上首次实现了薄膜多带隙超导体，对理解超导体的转变机制具有重要的意义。在上述研究成果的基础上，首次提出了“量子合金”这一新概念，预示着本研究有可能开辟一个全新的科学研究领域。

（3）采用第一性原理的方法对金属超薄膜的表面Friedel振荡进行了系统研究，发现其表面电荷密度振荡随厚度按照1/r的形式衰减，衰减形式与目前普遍接受的认识有所不同，并揭示出其原因在于Pb在沿[111]方向存在很平的两个关联的费米表面。这一发现改变了人们对量子尺寸效应的传统认识，对深入研究薄膜生长问题具有重要的指导意义。

（4）纳米团簇由于其独特的物理化学性质和应用前景成为近年来纳米科学领域的研究热点。大量实验表明，过渡族金属纳米团簇的稳定性表现出“幻数”特征，但截止目前尚不能对此给出一个很好的理论解释。对过渡族金属团簇结构的预测传统上基于一百多年前建立的经典Wulff Construction定则：即一个团簇所对应的基态几何结构要求其表面能或表面积最小化。然而这一经典图像在纳米尺度下是否仍然成立是一个并没有被认真检验过的问题。课题组采用第一性原理计算方法证明了在纳米尺度下，由于团簇边棱原子d电子的局域化，只有采用团簇总棱长或总棱能最小化而非传统认知的团簇总表面积或总表面能最小化，才能正确地得到过渡族金属团簇的基态结构。据此，课题组提出了扩展的Wulff Construction定则，并理论预言过渡族金属团簇真正的幻数应该是一些偶数，而并非经典Wulff Construction定则普遍认为是奇数。这一新发现成功解决了过渡族金属团簇的原子堆积原理和幻数特征这一重要的科学问题，其正确性已被最近的实验研究所证实。该成果有望对纳米功能材料的制备和高效纳米催化剂的设计等相关领域产生重要的影响。