由国家物理实验室（NPL）和伯尔尼大学率领的国际研究团队开发了使用石墨烯调节下一代分子电子器件功能的新途径。可以利用这些结果开发更小，更高性能的器件，用于一系列应用，包括分子检测，柔性电子器件，能量转换和存储，以及电阻标准的稳定测量设置。

  近日，《科学进步》（Science Advances）刊发由国家物理实验室（NPL）和伯尔尼大学率领的国际研究团队展示了基于多层石墨烯的稳定性的分子电子器件到单个分子的极限的相关研究成果。该论文题为“Stable anchoring chemistry for room temperature charge transport through graphite-molecule contacts”。

  纳米分子电子学领域的目标是利用单个分子作为电子设备的基础，改进功能，并使开发人员能够实现前所未有的设备小型化和控制水平。阻碍这一领域进展的主要障碍是所使用的分子和金属之间没有稳定的接触，它们都可以在室温下操作并提供可重复的结果。石墨烯不仅具有优异的物理稳定性，而且具有极高的电子和导热性能，使得新兴的2D材料对分子电子学中的一系列可能的应用非常有吸引力。

  在中央大学（日本）的合作者的帮助下，来自伯尔尼大学的实验家团队以及来自NPL（英国）和巴斯克地区大学（UPV / EHU，西班牙）的理论家组成的团队， 展示了基于多层石墨烯的稳定性的分子电子器件到单个分子的极限。

  研究人员在室温下进行了基于石墨烯分子电子器件的表征，并证明了将共价连接到物理性能稳定的石墨烯衬底上的分子是下一代分子电子器件的理想选择。

  研究结果表明了基于石墨烯的分子电子学发展的重大变化，分子和石墨烯之间的共价接触的重现性（甚至在室温下）克服了基于造币金属的最先进的技术的当前状态的局限性。

  连接单分子

  在石墨烯基电子器件上吸附特定分子使器件功能得以调整，主要是通过改变其电阻。然而，很难将整体器件特性与单个分子的吸附特性联系起来，因为平均量不能识别石墨烯表面上的大变化。

  来自伯尔尼大学化学与生物化学系的Alexander Rudnev博士和Veerabhadrarao Kaliginedi博士，通过使用独特的低噪声实验技术测量了通过连接到石墨或多层石墨烯电极的单分子流动的电流，使得他们解决这些分子的变化问题。在Ivan Rungger博士（NPL）和Andrea Droghetti博士（UPV / EHU）的理论计算的指导下，他们证明石墨表面的变化非常小，分子与顶部石墨烯层的化学接触的性质决定了单分子电子器件的功能。

  “我们发现，通过精心设计分子与石墨烯材料的化学接触，我们可以调整其功能，”Rungger博士说。 Rudnev博士补充说：“我们的单分子二极管表明，通过改变每个分子的化学接触性质，可以切换电流的整流方向。”

  Kaliginedi博士总结道：“我们相信，我们的研究结果是实现分子电子器件开发的重要一步，我们预计随着我们的室温稳定化学键合路径，研究领域的方向将发生重大变化。”研究结果还将帮助研究人员在电催化和能量转换研究中，通过在其实验系统中设计石墨烯/分子界面，提高催化剂或器件的效率。相关论文全文发表在 Sci. Adv.  09 Jun 2017:Vol. 3, no. 6, e1602297（DOI: 10.1126/sciadv.1602297）上。