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光明日報北京5月8日電 北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院郭雪峰教授課題組研發(fā)出成熟的單分子芯片制備實驗技術(shù)，主要揭示了石墨烯場效應(yīng)晶體管的制備與單分子錨定兩大關(guān)鍵步驟。這些技術(shù)生產(chǎn)的單分子器件具有普適性，將會催生新一代單分子電子設(shè)備，并與其他學(xué)科交叉融合，推動單分子交叉科學(xué)新領(lǐng)域的發(fā)展，例如單分子物理與化學(xué)基本物性、單分子化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和單分子生物物理的發(fā)展。相關(guān)研究成果以《在分子尺度上檢測電子反應(yīng)的石墨烯-分子-石墨烯單分子結(jié)》為題，于日前在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·協(xié)議》發(fā)表。

郭雪峰介紹，單分子是物質(zhì)世界的基本單元，是構(gòu)造物質(zhì)世界的基因，也是調(diào)控生命過程的關(guān)鍵，具有豐富的科學(xué)內(nèi)涵。其中，石墨烯基單分子器件具有確定的界面耦合、高穩(wěn)定性、對復(fù)雜環(huán)境的良好耐受性等，有望為探索無限大的底部空間打造強(qiáng)勁引擎。

研究過程中，團(tuán)隊在銅片上通過化學(xué)氣相沉積生長高質(zhì)量單層石墨烯。通過聚甲基丙烯酸甲酯的輔助，在對銅片刻蝕后，將石墨烯轉(zhuǎn)移至特定尺寸硅片上，以滿足后續(xù)測試需求。之后通過氧等離子體刻蝕，將石墨烯切割為條帶圖案。進(jìn)一步通過蒸鍍，制備電極陣列，得到石墨烯場效應(yīng)晶體管。錨定單個分子則需要制備系列間隔的石墨烯電極對。通過電子束曝光，在石墨烯表面旋涂的聚甲基丙烯酸甲酯上制備虛線窗口，結(jié)合進(jìn)一步氧等離子體各向同性刻蝕以及輔助的電燒斷，可得到石墨烯點(diǎn)接觸，進(jìn)而制備具有羧基末端、納米間隙的電極對。

隨后，研究團(tuán)隊在燒瓶中加入石墨烯芯片，根據(jù)不同分子橋末端的官能團(tuán)，利用點(diǎn)擊化學(xué)或共價縮合制備共價鍵錨定的單分子結(jié)。其中，錨定的單個分子可通過電學(xué)、光學(xué)等多模態(tài)表征得到進(jìn)一步驗證：包括柵壓依賴性實驗、隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)超分辨成像、單分子光譜以及非彈性電子隧穿譜。

“這些技術(shù)利用單個分子制備出光電子器件，為分子電子器件的潛在應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步，有望發(fā)展顛覆性的單分子芯片集成技術(shù)和新一代精準(zhǔn)分子診斷/測序技術(shù)，也有望為揭示物質(zhì)轉(zhuǎn)換的內(nèi)在機(jī)理和生命現(xiàn)象的本征規(guī)律提供劃時代的研究范式和譜學(xué)方法，進(jìn)而推動形成單分子交叉科學(xué)新的增長點(diǎn)和科技突破口。”郭雪峰說。（記者晉浩天）

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