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第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼 |
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控制和改变单个分子的磁性一直是单分子科学发展的学科前沿和难题。中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室侯建国院士、杨金龙教授和朱清时院士等科研人员，在国家自然科学基金、中国科学院创新项目和科技部973项目的资助下，利用低温超高真空扫描隧道显微镜(STM)，巧妙地对吸附于金属表面的钴酞菁（CoPc）分子进行
“单分子手术”，成功实现了单分子自旋态的控制。2005年9月2日出版的Science以“Report”形式发表了他们的研究成果。 在这项研究工作中，他们将少量的CoPc分子通过热蒸发的方法分散沉积在洁净的金表面上，利用低温超高真空STM系统研究了该分子吸附于该表面的各种物理、化学性质。他们发现，在自由状态下具有磁性的CoPc分子一旦吸附到金属表面上，其分子磁性由于分子和衬底表面的相互作用而完全淬灭。但是CoPc分子的大环配位体外端由4个苯环构成，通过针尖对分子施加特定能量和电流的隧穿电子去激发这些苯环上的碳氢键，可以逐个“剪裁”掉分子外围的8个氢原子，并使脱去氢原子的活性苯环基团与金属表面形成稳定的化学键，从而构造出新的人造分子结构。他们发现，这一人造分子结构的中心钴离子的扫描隧道谱中显示出由于局域磁性杂质的存在所导致的近藤效应（Kondo effect），即原先存在的展宽d轨道共振峰被一个钉扎在费米面能级上的非常尖锐的共振峰所取代，其峰型、峰宽及其随温度的变化规律都表明，这一强烈共振峰即为近藤效应。这一现象表明脱氢后的CoPc分子的钴离子存在局域磁矩，即分子的磁性得到了恢复。基于第一性原理的理论计算和分析也同时证明了新的人造分子结构中局域自旋的存在，并且通过理论模拟STM图像完全重现了实验的结果。
这一研究成果展示了如何在单个分子的内部实施化学反应并利用分子内部的化学反应来调节和控制分子中磁性金属离子的自旋态；为单分子功能器件的制备提供了一个极为重要的新方法，同时也揭示了单分子科学研究新的广阔前景。Science在同期“透视”栏目中请相关领域的美国科学家克罗米教授以“在单个分子内部调控磁性”为题撰写专文介绍和评价该研究成果。文中，他认为：“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”，“其中心结论很有意思，因为文章阐明了人们现在能够通过单分子的操控来直接修改分子的结构，从而改变分子的磁性状态。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”。 |
