化学科学奖

  侯建国  物理化学家,1959年10月29日出生于福建省福清市。1989年获中国科学技术大学博士学位。1988年至1995年,先后在苏联科学院结晶学研究所、中国科学院福建物质结构研究所、加州大学伯克利分校、劳伦斯 -伯克利国家实验室材料科学部、美国俄勒冈州立大学化学系工作,1995年起在中国科学技术大学任教。中国科学院院士,第三世界科学院院士,中国科学技术大学教授。现任中国科学技术大学常务副校长。

  侯建国主要从事表面物理化学领域研究工作,包括纳米材料和纳米结构的制备和表征、分子纳米结构的自组装、低维纳米系统的量子态性质及其调控和纳米材料与纳米结构的扫描探针显微镜研究等方向。已在国际学术期刊上发表研究论文约 150篇,其中包括《Nature》2篇、《 Science》2篇、《 J.Am. Chem.Soc.》4篇、《 Phys.Rev.Lett》8篇。

表面吸附单分子的高分辨表征与选控

  对处于衬底表面上的单个分子、原子团簇和量子点所具有的几何结构和电子结构进行直接观察和表征,继而选择性地对其进行精确的修饰和“改造”,以实现特定的功能,是单分子科学与纳米科技的重要基础研究,它对未来直接人工改造分子有重大的指导意义,并且在新材料和新器件方面有巨大的应用背景。

  扫描隧道显微术( STM)和扫描隧道谱(STS),是单分子科学研究的最有力工具之一。虽然 STM图象可达 0.1埃的分辨极限,但其只对应于单分子的局域电子态密度在空间上的分布,因而不能直接反映其原子结构。同时, STM/STS的实验结果还受到来自衬底和针尖等诸多因素的影响,因此如何利用它们确定单分子的构型、取向、内部原子结构和电子态等,是极为重要而且极具挑战性的课题。

吸附在硅表面的C60单分子高分辨STM图像

(a)分辨单个分子轨道的dI/dV能量层析技术DY@C82单分子在两种偏压下的STM图像((B1)和(B2))和相应的能量层析图像((B3)和(B4)),以及理论模拟的分子取向(C1)和对应图像((C2)-(C4))

  1999年侯建国通过结合超高真空低温 STM实验与密度泛函理论模拟,建立了对单分子结构和性质进行高分辨表征的系统研究方法,确定了 C60单分子在硅表面的各种依赖于吸附位的吸附取向和相关的吸附电子态,此成果被美国物理学会专题图片新闻介绍,并被评为 1999年中国基础科学研究十大新闻。 2001年他通过分子自组装技术把 C60单分子生长在化学惰性的硫醇自组装膜表面,观测到具有化学键分辨率的 C60单分子图像,而且由此发现了平移对称性和分子取向性同时得到保持的无缺陷 C60分子取向畴界,这不同于教科书上传统的畴界概念,成果发表在英国《自然》杂志上,被审稿人高度评价为“一项构思巧妙、实验严谨的研究工作”,也被两院院士评为 2001年中国十大科技进展。 2003年他进一步把这种研究方法扩展到对单分子电子态位置空间和能量空间的同时表征,由此成功地确定了Dy@C82单分子包含在碳笼中的金属 Dy原子的相对位置和杂化电子态。此外,他过去几年在对硫醇自组装膜的分子基团的高分辨表征、 6-硝基螺吡喃分子二维组装的手性表征等一系列单分子体系的研究,以及对金属纳米颗粒、小分子的离散电子态表征研究方面也获得了许多重要结果。

  在此基础上,通过“单分子手术”,侯建国于 2005年在国际上首次实现了单分子自旋态的控制。在这一发表在《科学》杂志上的研究工作中,他利用 STM系统地研究了单个钴酞菁分子吸附于金表面的各种物理、化学性质,在此基础上巧妙地对其进行“单分子手术”,成功“剪裁”了分子外围的氢原子。他们发现,当钴酞菁分子吸附到金表面后,其中心的二价钴离子的局域磁矩完全消失。但通过在分子内部实现的精确“手术”后,却能够使整个分子的空间结构和电子结构产生变化,由此可以改变和调控其中心钴离子的自旋态,使其显示出由局域磁性所引起的近藤效应。《科学》杂志在同期“透视”栏目中专文介绍和评价这一研究成果:“这一结果开辟了可能对未来的分子器件应用产生影响的分子内自旋行为的基础研究之路”,“在这之前虽然人们已经能够对单个分子的机械和电子性质可以调控,但这里作者们展示了如何改变单个分子的自旋属性,将(对单分子的)调控能力提高到一个新的台阶”。该成果被评为 2005年中国基础科学研究十大新闻和中国十大科技进展。

 

 

通过 STM针尖对 Au表面的 CoPC分子进行
“分子手术”以调控其吸附态和磁性
图为“分子手术”各个阶段的 STM图像

  侯建国在单分子科学研究方向上取得的这一系列成果发表在《科学》、《自然》、《美国化学会志》和《物理评论快报》等国际高水平科技杂志上,引起了国际上同行的广泛关注,已被他引 1600余次。侯建国多次被邀请在包括美国物理学会年会、材料学会年会、国际纯化学和应用化学联盟年会和国际真空科技与应用联盟年会等国际性学术会议上做报告。