Nature Protocols: 郭雪峰教授教你制备单分子芯片

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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、高的稳定性、对复杂环境的良好耐受性以及CMOS的兼容性，有望为探索无限大的底部空间打造强劲引擎。
　　北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组长期致力于石墨烯基单分子器件的研究。在单分子尺度上构筑多功能分子器件: 包括场效应晶体管(Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 14026; Nat. Commun.2022, 13, 1410; Sci. Adv. 2022, 8, eabm3541)、开关(Science2016, 352, 1443; Nat. Commun.2019, 10, 1450)、整流器(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20811)、忆阻器(Adv. Mater.2022, 2204827)、发光二极管(Adv. Mater.2023, 2209750)等，展示了基于单分子器件在芯片微小化、多功能化方面的广阔应用前景(图1)。在单分子尺度上研究分子行为：包括分子构象变化(Nano Lett.2017, 17, 856; Matter2021, 5,1224)、非键相互作用( Sci. Adv. 2016, 2, e1601113; Nat. Commun. 2018, 9, 807;JACS Au 2021, 1, 2271)、基本有机反应(Nano Lett.2018, 18, 4156; Sci. Adv.2018, 4, eaar2177; J. Am. Chem. Soc.  2022, 144, 3146)、过渡金属催化(Nat. Nanotechnol. 2021, 16, 1214; Nat. Commun. 2022, 13, 4552;J. Am. Chem. Soc. 2023, accepted)、有机小分子催化(Matter 2021, 4, 2874)和手性诱导的自旋选择性(Nat. Chem. 2023, accepted)等，突破了系综平均，描绘了动态、多维的反应图像(图1)。

　　图1. 碳基单分子器件的功能

　　郭雪峰课题组近日在Nature Protocols上报道了已发展成熟的单分子芯片制备实验流程，主要包括石墨烯场效应晶体管的制备与单分子锚定两大关键步骤。
　　首先在铜片上通过化学气相沉积生长高质量单层石墨烯。通过PMMA的辅助，在对铜片刻蚀后，将石墨烯转移至特定尺寸的硅片上，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(图2)。
　　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)。
　　进一步，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)。
　　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。
　　该工作于4月12日以“Graphene-molecule-graphene single-molecule junctions to detect electronic reactions at molecular scale”为题在线发表在NatureProtocols杂志上（Nat. Protoc.2023, DOI:10.1038/s41596-023-00822-x）。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。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。
　　原为链接：https://www.nature.com/articles/s41596-023-00822-x
        文章来源：北京大学
       郭雪峰，北京大学教授，杰青，科技部重点研发计划首席科学家和 中组部“万人计划”领军人才。2001年于北京师范大学获得学士和硕士学位，2004年于中国科学院化学研究所获得博士学位。2004~2007年在哥伦比亚大学纳米中心、化学系和物理系从事博士后研究工作。2008年入职北京大学。主要从事分子材料和器件的研究，发展了制备碳基电极的稳定单分子器件的突破性方法，构建了国际首例稳定可控的单分子电子开关器件，发展了单分子电学检测新技术，开拓了单分子科学与技术研究的新领域。已发表包括2篇Science 在内的SCI论文147余篇（IF>10，57篇），引起了科学和工业界的广泛关注，《Scientific American》、《Nature》、《Science》等期刊和媒体以不同的形式亮点报道过25余次，应邀在Chem. Rev. 、Acc. Chem. Res.和Chem. Soc. Rev.等国际权威期刊上撰写邀请综述多篇，表明这些工作处于国际领先地位，是世界上能开展单分子电子学研究为数不多的几个代表性课题组之一。拥有或申请了国际国内专利14项，曾获全国百篇优秀博士论文奖、日本化学会“The Distinguished Lectureship Award”奖、中国化学会青年化学奖、教育部自然科学奖一等奖、中国高等学校十大科技进展和中国科学十大进展等奖励。作为首席科学家承担了科技部重点研发计划，主持了国家自然科学基金仪器项目、重点项目和杰青项目。