近日，北京大学化学与分子工程学院郭雪峰教授课题组研发出成熟的单分子芯片制备实验技术，主要揭示了石墨烯场效应晶体管的制备与单分子锚定两大关键步骤。

这些技术生产的单分子器件具有普适性，将会催生新一代单分子电子设备，并与其他学科交叉融合，推动单分子交叉科学新领域的发展，例如单分子物理与化学基本物性、单分子化学反应动力学和单分子生物物理的发展。

相关研究成果以《在分子尺度上检测电子反应的石墨烯-分子-石墨烯单分子结》为题，于日前在国际学术期刊《自然·协议》发表。

据郭雪峰介绍，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、高稳定性、对复杂环境的良好耐受性等，有望为探索无限大的底部空间打造强劲引擎。

图1. 碳基单分子器件的功能

团队在铜片上通过化学气相沉积生长高质量单层石墨烯。通过聚甲基丙烯酸甲酯的辅助，在对铜片刻蚀后，将石墨烯转移至特定尺寸硅片上，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。锚定单个分子则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聚甲基丙烯酸甲酯上制备虚线窗口，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

随后，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。

“这些技术利用单个分子制备出光电子器件，为分子电子器件的潜在应用迈出了关键一步，有望发展颠覆性的单分子芯片集成技术和新一代精准分子诊断/测序技术，也有望为揭示物质转换的内在机理和生命现象的本征规律提供划时代的研究范式和谱学方法，进而推动形成单分子交叉科学新的增长点和科技突破口。”郭雪峰说。

该工作已经在线发表在Nature Protocols 杂志上。该工作的第一作者是北京大学博士后杨晨和杨才耀。北京大学郭雪峰教授为通讯作者。该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。

编辑：芯智讯-浪客剑  来源：x-mol