富勒烯（C60）凭借独特的笼状结构和优异的电子接受能力，在有机电子、光伏器件、光催化等领域已展现广泛应用潜力，同时在自旋电子学、量子技术等新兴领域备受关注。然而，精准调控C60分子内电子行为（尤其是单个C60分子捕获不同数量电子的过程）一直是该领域的核心挑战——传统调控方法（如掺杂、电化学手段）存在随机性强、无法实现单分子水平逐步调控等局限，难以满足分子电子器件对高精准度、高稳定性的需求。
近日，北京大学郭雪峰教授团队与合作者在单富勒烯分子电子行为调控领域取得重要进展。该团队通过构建石墨烯-富勒烯-石墨烯单分子结，实现了对单个C60分子逐步单电子捕获过程的精准监测，揭示了轨道分辨的电子动力学机制，为富勒烯基分子电子学和量子技术应用奠定关键基础。相关研究成果近日发表在Journal of the American Chemical Society 上。
1. 单分子器件的构建与表征
研究团队选择丙二酸二甲酯修饰的富勒烯衍生物（ME-C60）作为功能分子，通过“一步法”将其两端氨基与石墨烯电极表面羧基共价连接，形成稳定的单分子结。电学表征显示，成功连接ME-C60后，器件电流从fA-pA量级跃升至nA量级。非弹性电子隧穿谱（IETS）证明ME-C60与石墨烯电极的稳定共价连接及C60功能中心的存在（图1）。
图1. 单分子器件的结构与表征
2. 低温下偏压调控的逐步电子捕获动力学
为抑制热噪声、稳定瞬态电荷态，研究团队在2 K低温条件下开展偏压（Vd）依赖的电流-时间（I-t）测量。结果显示，随着Vd从0.20 V增至1.20 V，单个C60分子双态切换的偏压窗口分别对应0 e−→1 e−,1 e−→2 e−和2 e−→ 3 e−。循环伏安进一步证实，ME-C60在0至-2 V范围内存在连续氧化还原反应，对应4种电子态，与I-t测量结果一致。此外，静电势计算表明，捕获的电子均局域在C60笼状结构上，确保了电子行为的可调控性（图2）。
图2. 单个ME-C60结的偏压依赖性测量和信号分析
3. 轨道分辨的电子传输机制与振动辅助隧穿
通过分析不同电荷态下C60的局部电子态密度（LDOS），研究团队揭示了电子捕获与电导提升的内在关联（图3）。温度依赖实验还发现，10 K是电子传输的“转折点”：低于10 K时，特定的C60旋转模式被抑制，导致lnK没有明显的温度依赖性，随着温度升高（>10 K），C60分子骨架的热诱导振动促进了电子隧穿，从而增加了电子捕获的概率，并产生了对温度的线性依赖性（图4）。这一“振动-电子耦合”机制进一步解释了C60多电子捕获的动态调控过程。
图3. 能级依赖的电荷传输机制
图4. 电荷输运转变机制
总结
本研究通过构建稳定的共价单富勒烯分子结，首次实现了单个C60分子逐步单电子捕获过程的实时监测，C60的顺序电子捕获行为可以通过电场调节的分子振动模式和热激活电子传输之间的耦合来精确控制。这项工作为更深入地理解富勒烯基材料作为电子受体提供了直接的实验证据，更推动了单分子电子学中“精准电子调控”技术的发展，为下一代分子计算机、量子比特器件的设计提供了新范式。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的共同第一作者是北京大学杨泽宙、南开大学汪博宇、北京大学解鑫淼博士、北京大学聂寒秋博士、北京大学张建宁博士。共同通讯作者为北京大学郭雪峰教授、南开大学贾传成教授、南开大学王进莹副教授、北京大学施祖进教授和北京大学莫凡洋教授。
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Orbital-Resolved Stepwise Single-Electron Capture Dynamics in a Single Fullerene
Zezhou Yang, Boyu Wang, Xinmiao Xie, Hanqiu Nie, Jianning Zhang, Panfeng Chuai, Jie Hao, Wenlong Cai, Zhiheng Yang, Chunyan Gao, Fanyang Mo, Zujin Shi, Jinying Wang, Chuancheng Jia, and Xuefeng Guo
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 31791–31799, DOI: 10.1021/jacs.5c08782
导师团队介绍
郭雪峰，北京大学博雅特聘教授。1998年获得北京师范大学的学士和硕士学位，2004年在中国科学院化学研究所获得博士学位，2004年至2007年在哥伦比亚大学纳米中心担任博士后研究员，2008年入职北京大学。教育部长江特聘教授、国家杰出青年基金获得者和中组部万人计划科技创新领军人才。长期从事分子材料与器件的科学研究，发展了单分子器件制备的突破性方法，解决了单分子器件制备难、稳定性差的核心挑战；构建了世界首例全可逆的最小单分子开关器件，掀起了单分子电子器件的研究热潮；发展了单分子电学实时检测新技术，开拓了单分子反应动力学研究的新领域。发表包括Science、Nature/Science子刊在内的SCI论文280余篇，被Nature、Science及其子刊等杂志和媒体作为亮点报道50余次。申请或授权中国发明专利50余件、出版专著4本。曾获全国百篇优秀博士论文奖、教育部自然科学奖一等奖、北京市自然科学奖一等奖、中国高等学校十大科技进展、中国科学十大进展和首届科学探索奖等奖励。作为首席科学家承担了科技部国家重点研发计划，主持了国家自然科学基金仪器项目、重点项目和杰青项目。
https://www.x-mol.com/university/faculty/8666
贾传成，南开大学教授。2014年于北京大学获得博士学位。2014-2018年，分别在中国科学院化学研究所和加州大学洛杉矶分校从事博士后研究。2020年，入选南开大学百名青年学术学科带头人计划，入选国家级青年人才计划。长期从事单分子功能器件、单分子量子调控、单分子芯片技术的研究，在单分子开关、分子隧穿场效应器件等领域取得了一系列重要研究成果。发表相关研究论文110余篇，其中第一/通讯作者论文80余篇，包括Science、Chemical Reviews、Nature Communications、Science Advances、Chem等期刊，申请或授权中国发明专利30余项、美国专利1项。研究成果被评为“中国高等学校十大科技进展”和“中国科学十大进展”，荣获教育部自然科学奖一等奖（第2完成人）、北京市自然科学一等奖（第2完成人）。
https://www.x-mol.com/university/faculty/350959
王进莹，南开大学副教授。2014年于北京大学获得博士学位。2014年至2015年在北京大学化学与分子工程学院担任研究助理。2015年至2017年为东京大学工学院应用物理系博士后。2018年至2019年为普渡大学工程院电气和计算机工程部研究助理。2019年至2024年为普渡大学工程院电气和计算机工程部博士后。2024年入职南开大学。长期从事纳米电子材料与器件的理论计算模拟，探索了低维材料中电子、自旋和拓扑特性，阐明了二维拓扑超导态的调控机制，预测了具有高自旋轨道扭矩的二维异质结；发现了分子电导对于构象变化的高度敏感响应，阐明了立体电子效应机理，设计了多种单分子功能器件，从理论上支撑了世界首个可逆、可控单分子光开关器件的实现。现已发表SCI论文46篇，其中以第一、共一和通讯作者身份在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Natl. Sci. Rev.、ACS. Mater. Lett.、Small、Appl. Phys. Lett.等期刊发表论文27篇。
