2016年初半導(dǎo)體工業(yè)界宣布一方面延續(xù)摩爾定律，繼續(xù)追求器件尺寸的微小化，另一方面提出以功能為導(dǎo)向來構(gòu)建電子電路的策略。

分子電子學(xué)為這一策略提供了全面的發(fā)展思路：利用單個或幾個有機分子作為電子電路的功能單元。有機分子材料具有尺寸小、結(jié)構(gòu)/功能多樣化和成本低等特點，這為構(gòu)建功能化的電子器件提供了廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。因而，自1974年單分子電子學(xué)的理論模型提出以來，這一研究領(lǐng)域激起了來自化學(xué)、材料、物理、電子工程等領(lǐng)域的科學(xué)家的廣泛研究興趣?，F(xiàn)如今，分子電子學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為納米科學(xué)的一個重要分支。然而，如何精準(zhǔn)構(gòu)建可控的高性能單分子器件一直是這一領(lǐng)域所面臨的重大挑戰(zhàn)。

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰課題組長期致力于構(gòu)建性能穩(wěn)定可控的單分子電子器件。

他們和合作者發(fā)展了國際上單分子電子學(xué)研究的新技術(shù)和新方向，開發(fā)了碳基單分子器件的研究平臺：利用電子束曝光和氧等離子體刻蝕等微納加工工藝制備了邊緣羧基修飾的兩代碳基納米間隙點電極，通過與末端為氨基的分子發(fā)生反應(yīng)，形成酰胺共價鍵為接觸界面的“石墨烯-分子-石墨烯”異質(zhì)結(jié)，解決了器件穩(wěn)定性差、制備困難的核心問題。（Science 2006, 311, 356；Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12228；Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3906）。

基于這一可靠的器件平臺，該課題組和合作者在構(gòu)建功能化分子器件方面取得了一系列原創(chuàng)性的研究成果，包括：

單分子開關(guān)（Science 2016, 352, 1443；Nat. Commun. 2019, accepted for publication； Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125, 8666；Nano Lett. 2017, 17, 856；J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 2849）、

單分子化學(xué)/生物傳感器（Adv. Mater. 2013, 25, 3397；Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 163；Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2496；Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8886；Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5038；Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9036；Chem. Sci. 2015, 6, 2469）和

單分子場效應(yīng)晶體管（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14026；Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 11452；Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 691；Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2743；Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6319；Adv. Mater. 2010, 22, 20）；

發(fā)展了單分子電學(xué)檢測的關(guān)鍵性技術(shù)，并且在單分子化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方面進(jìn)行了一系列的創(chuàng)新探索，包括分子間主客體相互作用（Sci. Adv. 2016, 2, e1601113）、親核加成反應(yīng)（Sci. Adv. 2018, 4, eaar2177）、氫鍵相互作用（Nat. Commun. 2018, 9, 807）和親核取代反應(yīng)（Nano Lett. 2018, 18, 4156），證實了利用單分子電學(xué)檢測新方法研究單分子反應(yīng)動力學(xué)的可行性，為實現(xiàn)單分子化學(xué)反應(yīng)動態(tài)過程的可視化研究邁出了重要的一步。

這些結(jié)果為揭示物質(zhì)轉(zhuǎn)換規(guī)律和生命本征現(xiàn)象提供了獨特的研究方法，有可能產(chǎn)生顛覆性的芯片核心技術(shù)和精準(zhǔn)分子診斷技術(shù)。經(jīng)過十幾年的潛心專研，郭雪峰課題組已成為世界上能夠開展碳基單分子器件研究的代表性課題組之一，其研究工作處于國際領(lǐng)先地位（Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1731；Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2565；Chem. Rev. 2016, 116, 4318；Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 5642）。

基于上述研究工作基礎(chǔ)，該課題組于2017年應(yīng)邀在Chem上撰寫了評論性綜述，題為“The Renaissance of Molecular Electronics”，總結(jié)了近年來在構(gòu)筑功能化單分子器件方面所取得的重大進(jìn)展，探討了單分子電子器件面向未來發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和機遇（Chem 2017, 3, 373），積極推動了單分子電子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

最近，該課題組與美國西北大學(xué)J. Fraser Stoddart組合作，在Nature Reviews Physics上在線發(fā)表了長篇綜述，題為“Concepts in the Design and Engineering of Single-Molecule Electronic Devices”，結(jié)合近年來單分子電子學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，首次從工程學(xué)的角度系統(tǒng)地探討了如何依據(jù)構(gòu)效關(guān)系構(gòu)建性能可控的穩(wěn)定單分子器件的理念（Nat. Rev. Phys. 2019, DOI: 10.1038/s42254-019-0022-x）。

單分子器件的精準(zhǔn)構(gòu)筑及其功能化示意圖

具體要點如下：

1）將單分子異質(zhì)結(jié)分成三個相互關(guān)聯(lián)的單元—電極、界面和分子骨架/功能中心；

2）選擇電極材料需要考慮的因素—對空氣化學(xué)惰性、易加工性、合適的功函以及與分子材料良好的兼容性；

3）界面的穩(wěn)定性和電子耦合強度與電極-錨定基團(tuán)的結(jié)合能成正相關(guān)，而通過在分子骨架和錨定基團(tuán)之間引入間隔基團(tuán)可以實現(xiàn)這二者對分子本征性能影響的有效控制；

4）分子骨架的調(diào)控因素有分子長度、主鏈的幾何構(gòu)型、功能中心的響應(yīng)性和側(cè)鏈基團(tuán)，這為探索分子材料本征的物理性質(zhì)和實現(xiàn)功能化提供了機遇；

5）在面向未來工業(yè)化應(yīng)用方面，單分子電子器件需要改善的方面有器件的均一性、穩(wěn)定性、集成性以及理論模型的精確性。

此外，單分子電子學(xué)的研究為分析化學(xué)的終極目標(biāo)—單分子檢測—提供了技術(shù)基礎(chǔ)。而該領(lǐng)域由于其跨學(xué)科的特點，需要化學(xué)、材料、物理、電子工程、生物等領(lǐng)域的科學(xué)家的強強合作來推動其快速發(fā)展。相信這篇綜述將為單分子電子學(xué)的研究提供獨特的視角，推動該領(lǐng)域的健康發(fā)展。

北京大學(xué)郭雪峰是Chem的通訊作者，北京大學(xué)郭雪峰和美國西北大學(xué)J. Fraser Stoddart是Nature Reviews Physics的共同通訊作者，兩篇文章的第一作者均為北京大學(xué)已畢業(yè)博士辛娜。

Xin N, Guo X. Catalyst: the renaissance of molecular electronics[J]. Chem, 2017, 3(3): 373-376.

Xin N, Guan J, Zhou C, et al. Concepts in the design and engineering of single-molecule electronic devices[J]. Nature Reviews Physics, 2019: 1.