
侯建國? 物理化學家,1959年10月29日出生于福建省福清市。1989年獲中國科學技術大學博士學位。1988年至1995年,先后在蘇聯科學院結晶學研究所、中國科學院福建物質結構研究所、加州大學伯克利分校、勞倫斯 -伯克利國家實驗室材料科學部、美國俄勒岡州立大學化學系工作,1995年起在中國科學技術大學任教。中國科學院院士,第三世界科學院院士,中國科學技術大學教授?,F任中國科學技術大學常務副校長。
侯建國主要從事表面物理化學領域研究工作,包括納米材料和納米結構的制備和表征、分子納米結構的自組裝、低維納米系統的量子態性質及其調控和納米材料與納米結構的掃描探針顯微鏡研究等方向。已在國際學術期刊上發表研究論文約 150篇,其中包括《Nature》2篇、《 Science》2篇、《 J.Am. Chem.Soc.》4篇、《 Phys.Rev.Lett》8篇。
表面吸附單分子的高分辨表征與選控
對處于襯底表面上的單個分子、原子團簇和量子點所具有的幾何結構和電子結構進行直接觀察和表征,繼而選擇性地對其進行精確的修飾和“改造”,以實現特定的功能,是單分子科學與納米科技的重要基礎研究,它對未來直接人工改造分子有重大的指導意義,并且在新材料和新器件方面有巨大的應用背景。
掃描隧道顯微術( STM)和掃描隧道譜(STS),是單分子科學研究的最有力工具之一。雖然 STM圖象可達 0.1埃的分辨極限,但其只對應于單分子的局域電子態密度在空間上的分布,因而不能直接反映其原子結構。同時, STM/STS的實驗結果還受到來自襯底和針尖等諸多因素的影響,因此如何利用它們確定單分子的構型、取向、內部原子結構和電子態等,是極為重要而且極具挑戰性的課題。
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吸附在硅表面的C60單分子高分辨STM圖像 |
(a)分辨單個分子軌道的dI/dV能量層析技術DY@C82單分子在兩種偏壓下的STM圖像((B1)和(B2))和相應的能量層析圖像((B3)和(B4)),以及理論模擬的分子取向(C1)和對應圖像((C2)-(C4)) |
1999年侯建國通過結合超高真空低溫 STM實驗與密度泛函理論模擬,建立了對單分子結構和性質進行高分辨表征的系統研究方法,確定了 C60單分子在硅表面的各種依賴于吸附位的吸附取向和相關的吸附電子態,此成果被美國物理學會專題圖片新聞介紹,并被評為 1999年中國基礎科學研究十大新聞。 2001年他通過分子自組裝技術把 C60單分子生長在化學惰性的硫醇自組裝膜表面,觀測到具有化學鍵分辨率的 C60單分子圖像,而且由此發現了平移對稱性和分子取向性同時得到保持的無缺陷 C60分子取向疇界,這不同于教科書上傳統的疇界概念,成果發表在英國《自然》雜志上,被審稿人高度評價為“一項構思巧妙、實驗嚴謹的研究工作”,也被兩院院士評為 2001年中國十大科技進展。 2003年他進一步把這種研究方法擴展到對單分子電子態位置空間和能量空間的同時表征,由此成功地確定了Dy@C82單分子包含在碳籠中的金屬 Dy原子的相對位置和雜化電子態。此外,他過去幾年在對硫醇自組裝膜的分子基團的高分辨表征、 6-硝基螺吡喃分子二維組裝的手性表征等一系列單分子體系的研究,以及對金屬納米顆粒、小分子的離散電子態表征研究方面也獲得了許多重要結果。
在此基礎上,通過“單分子手術”,侯建國于 2005年在國際上首次實現了單分子自旋態的控制。在這一發表在《科學》雜志上的研究工作中,他利用 STM系統地研究了單個鈷酞菁分子吸附于金表面的各種物理、化學性質,在此基礎上巧妙地對其進行“單分子手術”,成功“剪裁”了分子外圍的氫原子。他們發現,當鈷酞菁分子吸附到金表面后,其中心的二價鈷離子的局域磁矩完全消失。但通過在分子內部實現的精確“手術”后,卻能夠使整個分子的空間結構和電子結構產生變化,由此可以改變和調控其中心鈷離子的自旋態,使其顯示出由局域磁性所引起的近藤效應?!犊茖W》雜志在同期“透視”欄目中專文介紹和評價這一研究成果:“這一結果開辟了可能對未來的分子器件應用產生影響的分子內自旋行為的基礎研究之路”,“在這之前雖然人們已經能夠對單個分子的機械和電子性質可以調控,但這里作者們展示了如何改變單個分子的自旋屬性,將(對單分子的)調控能力提高到一個新的臺階”。該成果被評為 2005年中國基礎科學研究十大新聞和中國十大科技進展。
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通過 STM針尖對 Au表面的 CoPC分子進行 “分子手術”以調控其吸附態和磁性 | 圖為“分子手術”各個階段的 STM圖像 |