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。

　　伟德国际1946官网郭雪峰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 Au 2021, 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(Matter 2021, 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

　　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。

　　首先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

　　进一步，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。

　　该工作于4月12日以“Graphene-molecule-graphene single-molecule junctions to detect electronic reactions at molecular scale”为题在线发表在NatureProtocols杂志上（Nat. Protoc.2023, DOI:10.1038/s41596-023-00822-x）。该工作的第一作者是伟德国际1946官网博士后杨晨和杨才耀。伟德国际1946官网郭雪峰教授为通讯作者。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。

　　原为链接：https://www.nature.com/articles/s41596-023-00822-x