分子电子学被视为电子器件微型化的物理极限，但构建稳定、均一的单分子结长期面临挑战。其常受限于电极间隙控制不精确、界面差异性大等问题，导致器件成功率低、性能不一致。石墨烯作为理想电极材料虽具潜力，但其边缘构型和界面化学键合的原子级构筑仍是技术瓶颈。
近日，北京大学郭雪峰教授团队、南开大学贾传成教授团队和意大利帕多瓦大学Agostino Migliore教授团队合作，开发了一种原子级精准的单分子器件构建技术，成功实现了高成功率、高均一性的石墨烯-分子-石墨烯（GMG）单分子器件。相关研究成果近日发表在Nature Communications 上。
本研究创新性地结合各向异性氢等离子体蚀刻和原位Friedel-Crafts酰化反应，首次实现了原子级精准的单分子器件构建（图1）。技术核心包括：（1）原子级精准石墨烯电极。通过氢等离子体蚀刻制备锯齿形边缘的三角形石墨烯电极，间隙尺寸匹配分子尺度。（2）高成功率与高均一性。单分子结制备成功率达82%，60个器件的电导方差为1.56%。（3）实时分子动力学监测。基于稳定结平台，在单事件水平观测到分子质子化/去质子化动态过程。
图1. 单分子器件示意图
研究团队利用各向异性氢等离子体蚀刻技术，将预图案化的圆形孔洞转化为六边形孔洞，最终形成锯齿形边缘的三角形石墨烯电极（图2a）。蚀刻过程通过实时电流监测控制，当电导低于噪声水平（~10 pA）时，形成分子尺度间隙（图2c）。原子力显微镜（AFM）和高分辨透射电镜（HRTEM）证实电极边缘为原子级平滑（图2d-g）。
图2. 原子级精准的三角形点电极表征
通过溶剂调控Friedel-Crafts酰化反应，在石墨烯边缘原位修饰羧基基团（图3a）。X射线光电子能谱（XPS）显示C=O特征峰（~288.9 eV），O1s/C1s原子比从0.21增至0.43（图3b）；热重-红外联用（TGA-FTIR）证实C=O伸缩振动峰（1684 cm–1）出现（图3c）。拉曼光谱显示D/G峰比仅在石墨烯边缘增强（D/G=0.63），而石墨烯基面保持完整（图3f-g），证明功能化修饰具有边缘选择性。
图3. 石墨烯的边缘修饰
将氨基封端的薁分子通过酰胺键共价连接至石墨烯间隙（图4）。电学表征显示器件电导从开路状态的~0 nA升至~1 nA（图4a）。非弹性电子隧穿谱（IETS）在226 mV（v(C=O)）和452 mV（v(N-H)）处观测到酰胺键特征峰（图4b），证实分子稳定桥接。60个器件的室温I–V曲线表现出高度的器件均一性，平均电导为(1.16±0.12)×10–5 G₀（G₀=77.5 µS），变异系数为10.73%（图4d）。
图4. 单分子器件的分子连接表征
基于稳定器件平台，实时观测了薁分子的质子化/去质子化动态变化（图5）。在三氟乙酸刺激下，分子呈现三种电导态：去质子化（A）、单质子化（HA）和双质子化（H2A）（图5c）。实时电学谱显示三者间跃迁过程（图5d），活化能为0.32 eV（与理论计算吻合）。通过Arrhenius方程和van't Hoff方程，推导出质子化/去质子化动态变化过程焓变为ΔH = –0.18 eV（图5g）。
图5. 单分子器件的质子化/去质子化的动力学研究
总结
本研究通过原子级精准技术构建了均一、稳定的单分子结，解决了分子电子学中良品率与均一性的难题。该平台不仅为单分子水平的基础科学（如电荷传输、反应动力学）研究提供了可靠工具，还为下一代高性能分子纳米电路（如分子计算机和量子芯片等）的设计铺平了道路。
这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的共同第一作者是北京大学博士后李明瑶、北京大学尹冰博士、南开大学博士研究生汪博宇。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和意大利帕多瓦大学Agostino Migliore教授。
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Atomically precise construction of uniform single-molecule junctions for molecular electronics
Mingyao Li, Bing Yin, Boyu Wang,Weilin Hu, Jie Cheng, Chunyan Gao, Zezhou Li, Yang Xu, Chen Yang, Xinmiao Xie, Jie Guo, Cong Zhao, Jinying Wang, Xike Gao, Yanfeng Zhang, Jihan Zhou, Zhiheng Yang, Agostino Migliore, Chuancheng Jia & Xuefeng Guo
Nat. Commun., 2025, 16, 7657. DOI: 10.1038/s41467-025-63113-x
研究团队简介
李明瑶，北京大学博雅博士后，现为北京化工大学副教授，2023年博士毕业于北京大学化学与分子工程学院，师从郭雪峰教授。以第一/共一作者身份在Nature Communications (1)、J. Am. Chem. Soc (3)、Sci. Adv. (1)、JACS Au (1)、Carbon (1)等期刊发表文章8篇。主持国自然青年基金、第74批博后面上项目等。
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
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
