单分子是物质世界的基本单元，是构造物质世界的基因，也是调控生命过程的关键，具有丰富的科学内涵。其中，石墨烯基单分子器件具有确定的界面耦合、高的稳定性、对复杂环境的良好耐受性以及CMOS的兼容性，有望为探索无限大的底部空间打造强劲引擎。

北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授课题组长期致力于石墨烯基单分子器件的研究。在单分子尺度上构筑多功能分子器件: 包括场效应晶体管（Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 14026;Nat. Commun.2022, 13, 1410;Sci. Adv.2022, 8, eabm3541）、开关（Science2016, 352, 1443;Nat. Commun.2019, 10, 1450）、整流器（J. Am. Chem. Soc.2021, 143, 20811)、忆阻器（Adv. Mater.2022, 2204827）、发光二极管（Adv. Mater.2023, 2209750）等，展示了基于单分子器件在芯片微小化、多功能化方面的广阔应用前景（图1）。在单分子尺度上研究分子行为：包括分子构象变化（Nano Lett.2017, 17, 856;Matter2021,5,1224）、非键相互作用（Sci. Adv.2016,2, e1601113;Nat. Commun.2018, 9, 807;JACS Au2021, 1, 2271）、基本有机反应（Nano Lett.2018, 18, 4156;Sci. Adv.2018, 4, eaar2177;J. Am.Chem. Soc.2022, 144, 3146）、过渡金属催化（Nat. Nanotechnol.2021, 16, 1214;Nat. Commun.2022, 13, 4552;J. Am. Chem. Soc.2023, accepted）、有机小分子催化（Matter2021,4, 2874）和手性诱导的自旋选择性（Nat. Chem.2023, accepted）等，突破了系综平均，描绘了动态、多维的反应图像（图1）。

图1. 碳基单分子器件的功能

(资料图片仅供参考)

郭雪峰课题组近日在Nature Protocols上报道了已发展成熟的单分子芯片制备实验流程，主要包括石墨烯场效应晶体管的制备与单分子锚定两大关键步骤。

在铜片上通过化学气相沉积生长高质量单层石墨烯。通过PMMA的辅助，在对铜片刻蚀后，将石墨烯转移至特定尺寸的硅片上，以满足后续测试需求。之后通过氧等离子体刻蚀，将石墨烯切割为条带图案。进一步通过蒸镀，制备电极阵列，得到石墨烯场效应晶体管（图2）。

图2. 石墨烯晶体管的制备流程

锚定单个分子需要制备系列间隔的石墨烯电极对。通过电子束曝光，在石墨烯表面旋涂的PMMA上制备虚线窗口，结合进一步氧等离子体各向同性刻蚀以及辅助的电烧断，可得到石墨烯点接触，进而制备具有羧基末端、纳米间隙的电极对（图3）。

图3.单分子的锚定

在烧瓶中加入石墨烯芯片，根据不同分子桥末端的官能团，利用点击化学或共价缩合制备共价键锚定的单分子结。其中，锚定的单个分子可通过多模态的表征进一步验证：包括栅压依赖性实验、随机光学重构超分辨成像、单分子光谱以及非弹性电子隧穿谱（图4）。

图4.单分子的多模态表征技术

结合多模态的表征，单分子器件将会激发新一代电子设备，以及分子基本物性、化学反应动力学、生物物理的发展。

该工作以“Graphene-molecule-graphene single-molecule junctions to detect electronic reactions at molecular scale”为题在线发表在Nature Protocols杂志上（Nat. Protoc.2023, DOI:10.1038/s41596-023-00822-x）。该工作的第一作者是北京大学博士后杨晨和杨才耀，郭雪峰为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委、科技部和北京分子科学国家研究中心的联合资助。