2016年初半導體工業界宣布一方面延續摩爾定律，繼續追求器件尺寸的微小化，另一方面提出以功能為導向來構建電子電路的策略。

分子電子學為這一策略提供了全面的發展思路：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、結構/功能多樣化和成本低等特點，這為構建功能化的電子器件提供了廣闊的發展空間和應用前景。因而，自1974年單分子電子學的理論模型提出以來，這一研究領域激起了來自化學、材料、物理、電子工程等領域的科學家的廣泛研究興趣。現如今，分子電子學已經發展成為納米科學的一個重要分支。然而，如何精準構建可控的高性能單分子器件一直是這一領域所面臨的重大挑戰。

北京大學化學與分子工程學院郭雪峰課題組長期致力于構建性能穩定可控的單分子電子器件。

他們和合作者發展了國際上單分子電子學研究的新技術和新方向，開發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生反應，形成酰胺共價鍵為接觸界面的“石墨烯-分子-石墨烯”異質結，解決了器件穩定性差、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建功能化分子器件方面取得了一系列原創性的研究成果，包括：

單分子開關（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/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）；

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

這些結果為揭示物質轉換規律和生命本征現象提供了獨特的研究方法，有可能產生顛覆性的芯片核心技術和精準分子診斷技術。經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，該課題組于2017年應邀在Chem上撰寫了評論性綜述，題為“The Renaissance of Molecular Electronics”，總結了近年來在構筑功能化單分子器件方面所取得的重大進展，探討了單分子電子器件面向未來發展所面臨的挑戰和機遇（Chem 2017, 3, 373），積極推動了單分子電子學領域的發展。

最近，該課題組與美國西北大學J. Fraser Stoddart組合作，在Nature Reviews Physics上在線發表了長篇綜述，題為“Concepts in the Design and Engineering of Single-Molecule Electronic Devices”，結合近年來單分子電子學領域的研究進展，首次從工程學的角度系統地探討了如何依據構效關系構建性能可控的穩定單分子器件的理念（Nat. Rev. Phys. 2019, DOI: 10.1038/s42254-019-0022-x）。

單分子器件的精準構筑及其功能化示意圖

具體要點如下：

1）將單分子異質結分成三個相互關聯的單元—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）界面的穩定性和電子耦合強度與電極-錨定基團的結合能成正相關，而通過在分子骨架和錨定基團之間引入間隔基團可以實現這二者對分子本征性能影響的有效控制；

4）分子骨架的調控因素有分子長度、主鏈的幾何構型、功能中心的響應性和側鏈基團，這為探索分子材料本征的物理性質和實現功能化提供了機遇；

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

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

北京大學郭雪峰是Chem的通訊作者，北京大學郭雪峰和美國西北大學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已畢業博士辛娜。

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.