富勒烯具有能级间隔小且能级数目丰富的独特电子结构，此前基于富勒烯的单分子热电器件在实验中展现出的热电势（塞贝克系数）高于传统有机体系，预示了富勒烯器件有望成为极具前景的热电材料候选体系。在这些单分子热电器件中，器件电极与富勒烯分子的耦合界面对其热电特性具有显著影响，然而，这一界面耦合的作用尚未得到研究。在本工作中，作者利用单分子结动态构筑（STM-BJ）技术，系统研究了三种富勒烯衍生物：Sc₂C₂@Cₛ(10528)-C₇₂、Sc₂C₂@C₃ᵥ-C₈₂和C₂(3)-C₈₂在包括金–富勒烯–金（Au–Au）、非对称的金–富勒烯–石墨烯（Au–Gr）以及石墨烯–富勒烯–石墨烯（Gr–Gr）结这三种不同电极构型单分子结中的热电势特性。研究发现，对于这三种富勒烯分子，其塞贝克系数均从Au–Au到Au–Gr再到Gr–Gr结中呈现出一致且逐步增大的趋势，展示出电极-分子界面优化在提升热电性能的重要潜力。
图1. 基于紧束缚模型的单分子结调控机制。
背景介绍
随着电子器件不断向微型化和高密度集成方向发展，单分子热电器件因其在片上热管理方面展现出的潜力而受到广泛关注，也是未来分子智能芯片的关键技术之一。在众多分子材料体系中，基于富勒烯的分子结已被实验证实可产生显著高于传统有机体系的热电势。理论研究进一步表明，当分子与电极之间的耦合被有效削弱，甚至实现解耦时，其热电势有望得到进一步提升。
然而，由于在单个富勒烯与电极界面精确调控耦合强度具有相当大的实验挑战，以石墨烯材料为电极构建富勒烯单分子范德华结为解决这一问题提供了理想的平台，相比金电极，石墨烯更低的功函数使费米能级更靠近最低非占据轨道，且其与分子形成的范德华结可弱化界面耦合，从而有望增强热电输运，也为深入理解富勒烯分子结中的界面耦合机制奠定基础。
本文亮点
1. 通过范德华解耦效应实现单分子器件热电势的增强。
2. 通过费米能级对齐实现单分子器件热电势的增强。
图文解析
在这项工作中，作者建立了能够适配不同电极材料的单分子器件热电势表征仪器方法，在三种电极构型（Au-Au、Au-Gr、Gr-Gr）的STM-BJ单分子结中系统考察了单富勒烯器件的电导与热电势。电导统计结果表明，电导随电极由金向石墨烯替换而逐步降低，呈现G(Au-Au)>G(Au-Gr)>G(Gr-Gr)的一致趋势，说明石墨烯电极可削弱分子-电极耦合并抑制电荷输运，这与理论预期相符。
在确认形成单分子结后，通过施加可控温差并拟合热电压-ΔT关系得到塞贝克系数。结果显示，对三种富勒烯而言，塞贝克系数的绝对值均从Au-Au到Au-Gr再到Gr-Gr逐渐增大。其中Gr-Sc₂C₂@-C₈₂-Gr的塞贝克系数高达-61.34 μV/K，是目前报道过的富勒烯基单分子器件中的最高纪录。
图2. 富勒烯单分子结的热电势与电导测量。
此外，作者从塞贝克系数的绝对值、分子-电极耦合强度以及电极功函数三个关键维度，对典型碳基单分子热电器件的性能进行了系统总结。界面工程策略是提升单分子热电性能的关键手段，其中包括削弱分子–电极耦合强度以及调控电极费米能级与分子 HOMO/LUMO 的能级对齐。通过引入低功函数电极（如石墨烯）并构建范德华分子结，可显著增强塞贝克系数，从而有效提升单分子器件的热电转换性能。
图3. 基于塞贝克系数、平均功函数及分子-电极解耦强度的单分子结热电性能三维评估。
通过对优化后的 Sc₂C₂@C₈₂ 分子结构进行静电势计算，作者确定了其表面最有利的电极锚定位置，其中静电势较负的区域（蓝色区域）更适合与电极耦合。理论计算得到的透射系数和塞贝克系数与实验测量结果基本一致，验证了模型的可靠性与结论的合理性。
图4. 不同电极构型下单富勒烯分子结的理论计算。
总结与展望
本研究探索了Sc₂C₂@C₇₂、Sc₂C₂@C₈₂和C₈₂在不同电极构型单分子结中的热电势。结果表明，通过引入石墨烯电极实现界面解耦，并调控电极费米能级与分子LUMO的对齐，可显著调制塞贝克系数，为高性能富勒烯基单分子热电器件的设计提供了重要的界面工程策略。
课题组和作者简介
厦门大学化学化工学院洪文晶/李晶/刘俊扬团队开展了实验表征及理论机制分析，谢素原院士团队对分子体系的设计合成以及论文撰写过程提供了指导。厦门大学博士生叶婧瑶（现厦门大学博士后）及厦门大学2025届硕士毕业生陈雪尔为论文第一作者。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c17958
相关导师
洪文晶，国家杰青，厦门大学化学化工学院、材料学院和人工智能研究院教授，博士生导师，研究生院常务副院长，嘉庚实验室副主任，美国化学会界面科学经典期刊Langmuir副主编。主要从事分子科学和人工智能的交叉学科研究，以通讯作者在Nat. Mater.、Nat. Chem.、Nat. Catal.等发表论文百余篇，主持高分子材料人工智能应用攻关工程国家重大项目、国家新材料重大专项、原创探索计划等项目，获中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖、中国专利奖优秀奖等。
李晶，厦门大学电子科学与技术学院副教授，博士生导师，南强青年拔尖人才 B 类，主要研究碳基分子器件，分子忆阻器件及其应用。主持基金委青C、福建省创新青年项目，参与基金委重大研究计划一项，作为第一或通讯作者（含共同）在Nature Materials、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、CCS Chem. 等期刊发表论文20篇，授权发明专利2项。
刘俊扬，厦门大学化学化工学院副教授，博士生导师，南强青年拔尖人才 B 类，福建省“雏鹰计划”人才，基于微纳芯片方法研究单分子尺度受限空间中强物理场效应诱导的电子、能量转移和化学反应及其动力学过程，发展单分子器件及其阵列集成方法。主持基金委培育、面上、青年和福建省科技厅产学合作项目，作为第一或通讯作者（含共同）在 Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Acc. Chem. Res.等期刊发表论文37篇，授权发明专利9项，其中1项获中国专利奖优秀奖。
编辑：孙华骋
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信息材料与工业智能实验室XMU
课题组官网：
https://pilab.xmu.edu.cn
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