單分子是物質世界的基本單元，是構造物質世界的基因，也是調控生命過程的關鍵，具有豐富的科學内涵。其中，石墨烯基單分子器件具有确定的界面耦合、高的穩定性、對複雜環境的良好耐受性以及CMOS的兼容性，有望為探索無限大的底部空間打造強勁引擎。

　　beat365官方网站郭雪峰課題組長期緻力于石墨烯基單分子器件的研究。在單分子尺度上構築多功能分子器件: 包括場效應晶體管(Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 14026; Nat. Commun.2022, 13, 1410; Sci. Adv. 2022, 8, eabm3541)、開關(Science2016, 352, 1443; Nat. Commun.2019, 10, 1450)、整流器(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20811)、憶阻器(Adv. Mater.2022, 2204827)、發光二極管(Adv. Mater.2023, 2209750)等，展示了基于單分子器件在芯片微小化、多功能化方面的廣闊應用前景(圖1)。在單分子尺度上研究分子行為：包括分子構象變化(Nano Lett.2017, 17, 856; Matter2021, 5,1224)、非鍵相互作用( Sci. Adv. 2016, 2, e1601113; Nat. Commun. 2018, 9, 807;JACS Au 2021, 1, 2271)、基本有機反應(Nano Lett.2018, 18, 4156; Sci. Adv.2018, 4, eaar2177; J. Am. Chem. Soc.  2022, 144, 3146)、過渡金屬催化(Nat. Nanotechnol. 2021, 16, 1214; Nat. Commun. 2022, 13, 4552;J. Am. Chem. Soc. 2023, accepted)、有機小分子催化(Matter 2021, 4, 2874)和手性誘導的自旋選擇性(Nat. Chem. 2023, accepted)等，突破了系綜平均，描繪了動态、多維的反應圖像(圖1)。

　　圖1. 碳基單分子器件的功能

　　郭雪峰課題組近日在Nature Protocols上報道了已發展成熟的單分子芯片制備實驗流程，主要包括石墨烯場效應晶體管的制備與單分子錨定兩大關鍵步驟。

　　首先在銅片上通過化學氣相沉積生長高質量單層石墨烯。通過PMMA的輔助，在對銅片刻蝕後，将石墨烯轉移至特定尺寸的矽片上，以滿足後續測試需求。之後通過氧等離子體刻蝕，将石墨烯切割為條帶圖案。進一步通過蒸鍍，制備電極陣列，得到石墨烯場效應晶體管(圖2)。

　　圖2. 石墨烯晶體管的制備流程

　　錨定單個分子需要制備系列間隔的石墨烯電極對。通過電子束曝光，在石墨烯表面旋塗的PMMA上制備虛線窗口，結合進一步氧等離子體各向同性刻蝕以及輔助的電燒斷，可得到石墨烯點接觸，進而制備具有羧基末端、納米間隙的電極對(圖3)。

　　圖3.單分子的錨定

　　進一步，在燒瓶中加入石墨烯芯片，根據不同分子橋末端的官能團，利用點擊化學或共價縮合制備共價鍵錨定的單分子結。其中，錨定的單個分子可通過多模态的表征進一步驗證：包括栅壓依賴性實驗、随機光學重構超分辨成像、單分子光譜以及非彈性電子隧穿譜(圖4)。

　　圖4.單分子的多模态表征技術

　　結合多模态的表征，單分子器件将會激發新一代電子設備，以及分子基本物性、化學反應動力學、生物物理的發展。

　　該工作于4月12日以“Graphene-molecule-graphene single-molecule junctions to detect electronic reactions at molecular scale”為題在線發表在NatureProtocols雜志上（Nat. Protoc.2023, DOI:10.1038/s41596-023-00822-x）。該工作的第一作者是beat365博士後楊晨和楊才耀。beat365郭雪峰教授為通訊作者。研究得到了國家自然科學基金委、科技部和北京分子科學國家研究中心的聯合資助。

　　原為鍊接：https://www.nature.com/articles/s41596-023-00822-x