单链一维范德华材料的制备

《Nature Synthesis》：Preparation of single-chain one-dimensional van der Waals materials

　　摘要
在过去二十年里，石墨烯和其他单层二维范德瓦尔斯（vdW）晶体一直是研究的热点，这表明了对单链一维（1D）vdW材料进行研究的可能性。此外，1D vdW材料被认为具有有趣的物理特性，并可能在亚纳米电子设备中找到应用，因为它们在两个维度上的尺寸都接近物理极限。在这里，我们制备了独立的单链1D vdW晶体，这些单链具有明确的化学结构，宽度约为0.8纳米，长度达到微米级别，单链比例高达90%。由于链内闭合的共价键合，观察到了原子级的光滑vdW界面，同时保持了良好的晶体质量和空气稳定性。对1D vdW链进行的低温电子传输测量显示了典型的单电子隧穿特性，证明了这些材料在量子技术中的潜在应用。

关于石墨烯1、2以及其他单层二维（2D）范德瓦尔斯（vdW）材料3、4、5、6的发展，对物理学和工程学产生了重要影响。将维度从原子层进一步减少到单个原子链，有望催生奇异的物理现象7、8、9、10。例如，在单链极限下可能发生与量子相关的行为，包括将电荷限制在单电子水平以产生量子化电流。可以开发一种独特的电子传输模式，为电子工业提供一种减轻热效应的方法，而热效应是限制更高密度集成设备发展的主要障碍11。因此，追求原子级一维（1D）单链既吸引了基础研究领域，也吸引了半导体工业。然而，这种宽度仅几个原子的1D材料超出了当前光刻技术的分辨率极限，同时也受到了悬挂键存在的化学稳定性的限制；Mermin–Wagner定理预测，在理想的2D或1D结构中不可能存在长程有序。要将材料缩小到单链极限一直是一个挑战。

尽管如此，这些在两个方向上尺寸都接近物理极限的1D结构仍然具有三维自由度，类似于单层2D材料。因此，实验上达到单链1D原子结构的极限并不违反基本物理定律12。近几十年来，已经开发出了多种1D纳米结构，包括纳米管、纳米带、纳米线和纳米卷13、14、15、16，它们展现了有趣的性质并推动了纳米技术的发展。制备1D纳米结构主要有两种方法：一是将2D材料模板缩小成纳米带17、18，二是从原子或分子等更小单元构建1D纳米结构（自下而上合成）16、19。最近通过自下而上策略合成了一种直径约为1纳米的单壁碳纳米管15。对于那些在两个维度上没有天然解理面的连续共价键合网络的1D纳米带，制备的纳米带通常具有高能量的边缘，并以未饱和键终止16、19。已经开发出全氢终止策略来克服边缘能量的不稳定性，从而能够利用扫描隧道显微镜（STM）的分辨率实现原子级精确的石墨烯纳米带的自下而上合成16。

尽管取得了这些进展，但可靠地制备出宽度达到单链极限且边缘闭合的更窄1D材料仍然非常具有吸引力。与2D材料一样，1D材料也有多种vdW晶体形式21。这些1D vdW晶体通常由通过vdW相互作用结合在一起的弱相互作用原子链组成，而每个原子链内的原子通过共价键连接。从1D vdW晶体中分离出的单链通常由几个原子宽，并具有明确的化学结构。此外，由于链内闭合的键合，单链具有原子级精确、光滑的vdW边缘，没有悬挂键。原则上，这些单链可以通过自上而下的过程从它们的块状1D vdW晶体中剥离出来。理论计算表明，1D vdW晶体的单位面积切割能量接近2D vdW晶体22。然而，由于其极窄的横截面（仅几个原子），单链往往具有较低的机械强度和对缺陷的耐受性，这导致当1D vdW晶体缩小到纳米级别时，链断裂的能量更低，因此更倾向于生成短束。目前的方法通常涉及超声波和机械剥离，这通常会产生数十个1D vdW晶体束23、24。基于碱金属插层的剥离方法被证明可以有效地减少vdW力以实现分离，但它常常会在剥离样品中引入缺陷。对于2D单层而言，如失去原子或形成纳米孔等缺陷只会造成局部损伤，单层仍可以保持片状结构。而对于单链来说，这样的缺陷将不可避免地导致链断裂和塌陷。高质量独立单链1D晶体的大规模生产一直具有挑战性，据我们所知，至今尚未在实验上实现。

在这里，我们采用了一种精确且可控的大体积有机阳离子电化学插层策略，可以有效减少缺陷的引入，同时增加链间距离以减小vdW力。贵金属硫化物（例如Pd和Pt）的固有化学惰性可以进一步保护它们的链结构免受化学剥离过程中引起的缺陷。基于此，制备了大量独立的PdGeS3单链，单链比例高达90%。所得单链的宽度约为0.8纳米，长度可达微米级别。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）证实了单链的晶格结构及其良好的结晶性。链内闭合的共价键合使得这些单链具有几乎无悬挂键的原子级光滑vdW界面。还观察到了良好的空气稳定性，PdGeS3单链在空气中稳定放置一个月的时间，进一步证明了制备单链的质量。电子结构测量显示，由于单链极限下的量子限制效应，其带隙相对于块状PdGeS3有所增加，传输带隙约为2.1电子伏特。然后制备了这些单链的单电子晶体，并表现出典型的量子传输行为。

结果与讨论
PdGeS3是一种典型的1D vdW晶体，由通过弱vdW相互作用结合在一起的闭合共价键链组成25、26。在每个单链中，钯原子与两个相对的角共享的GeS4四面体基团通过共价键连接（图1a）。与单层2D晶体不同，后者在缺少几个原子或形成类似孔的缺陷时仍能保持片状结构，而对于仅几个原子宽的单链来说，失去几个原子这样的缺陷通常会导致链断裂；单链晶体对缺陷的耐受性远低于2D单层。为了获得单链，对块状PdGeS3单晶进行了四丁基氨溴化物（TBAB）的电化学插层（图1b；详见方法部分）。块状PdGeS3单晶是通过化学气相传输方法合成的。通过精确控制插层化学过程，四丁基铵（TBA+）阳离子在负电化学势的驱动下被插入PdGeS3晶体的链间vdW间隙中。由于TBA+阳离子（直径约为10埃）具有较大的空间障碍和体积，能够进入PdGeS3晶体的分子数量有限，因此注入的电子数量也有限，而PdGeS3晶体的链间距离仅在少量分子插入后就会显著增加。有限的插入物数量和注入电子导致剥离链中的化学缺陷减少。由于PdGeS3的链间距离显著增加，相邻链之间的相互作用大大减弱。在没有超声波处理的情况下（超声波处理往往会通过剪切力断裂单链甚至整个束），通过简单的手动摇动就可以轻松剥离插入的PdGeS3晶体。离心后，获得了高度均匀的黄色PdGeS3链溶液（图1b）。这种温和的剥离过程加上可控的化学插层有助于高质量地生产单链PdGeS3（SC-PdGeS3）。

图1：PdGeS3 1D vdW晶体的示意图及其单链的制备方法。

由于PdGeS3链的原子级狭窄尺寸，首先使用扫描隧道显微镜（STM）对其进行了评估。图2a显示了在环境气氛中沉积在高度取向的热解石墨（HOPG）表面上的单个剥离PdGeS3链的典型STM图像。链的宽度约为0.8纳米，与从晶体学数据确定的PdGeS3单链宽度（0.83纳米）一致（图1a）。观察到剥离链在整个长度上宽度均匀，边缘光滑（图2a和补充图1），表明链的质量很高。此外，剥离的PdGeS3链的边缘与HOPG的锯齿形键合方向呈50°角，表明沉积的PdGeS3链与下层HOPG之间可能发生了特定的vdW外延。从分散液中提取的大量剥离PdGeS3链进一步使用原子力显微镜（AFM）进行了成像。在HOPG上密集沉积的剥离PdGeS3链的AFM高度图显示，大多数链的高度范围在0.7至0.9纳米之间（图2b）。根据无机晶体结构数据库的晶格参数，SC-PdGeS3的高度计算为0.718纳米，双链的高度为1.42纳米。因此，STM和AFM的结果均证实大多数剥离的PdGeS3链是SC-PdGeS3，只有少数产品是几个链的束。对来自三个独立批次的不同分散液中的大约3,303个样本进行统计分析显示，SC-PdGeS3与剥离产物（包括一些链和较厚的束）的数量比例通常高达约90%（补充图2），验证了SC-PdGeS3的高效制备和良好的重复性。此外，制备的SC-PdGeS3的长度约为1微米，最长的链达到了4.5微米（补充图3）。AFM可以以埃级精度表征高度。然而，由于SC-PdGeS3的宽度远小于AFM尖端的半径，尖端扩宽效应变得明显，导致成像的SC-PdGeS3出现明显的横向扩展（参考文献8、27）。

图2：单链的表征。

由于PdGeS3链的原子级狭窄尺寸，首先使用扫描隧道显微镜（STM）对其进行了评估。图2a显示了在高度取向的热解石墨（HOPG）表面上沉积的单个剥离PdGeS3链的典型STM图像。链的宽度约为0.8纳米，与从晶体学数据确定的PdGeS3单链宽度（0.83纳米）一致。观察到剥离链在整个长度上宽度均匀，边缘光滑（图2a和补充图1），表明链的质量很高。此外，剥离的PdGeS3链的边缘与HOPG的锯齿形键合方向呈50°角，表明沉积的PdGeS3链与下层HOPG之间可能发生了特定的vdW外延。从分散液中提取的大量剥离PdGeS3链进一步使用原子力显微镜（AFM）进行了成像。在HOPG上密集沉积的剥离PdGeS3链的AFM高度图显示，大多数链的高度范围为0.7至0.9纳米（图2b）。根据无机晶体结构数据库的晶格参数，SC-PdGeS3的高度计算为0.718纳米，双链的高度为1.42纳米。因此，STM和AFM的结果都证实大多数剥离的PdGeS3链是SC-PdGeS3，只有少数产品是几个链的束。对来自三个独立批次的约3,303个样本的统计分析显示，SC-PdGeS3与剥离产物（包括一些链和较厚的束）的数量比例通常高达约90%（补充图2），验证了SC-PdGeS3的有效制备和良好的重复性。此外，制备的SC-PdGeS3的长度约为1微米，最长的链达到了4.5微米（补充图3）。AFM可以以埃级精度表征高度。然而，由于SC-PdGeS3的宽度远小于AFM尖端的半径，尖端扩宽效应变得明显，导致成像的SC-PdGeS3出现明显的横向扩展（参考文献8、27）。底部的图像是在200千伏的加速电压下模拟得到的SC-PdGeS3的透射电子显微镜（TEM）图像，使用的是Scherzer去焦系数f=2.7纳米和球面像差Cs=0.2毫米的参数，这与实验结果是一致的。f所示的是PdGeS3的高分辨率TEM图像。图像中叠加的原子展示了相应的晶体结构（[0 0 1]轴）。原子颜色编码：S（橙色）；Pd（蓝色）；Ge（红色）。g至i所示的是沉积在云母上的典型单链SbPS4（g）、Ta2Pd3Se8（h）和Ta2Pt3Se8（i）的原子力显微镜（AFM）图像，插图显示了这些单链在虚线位置的高度。g至i右上角的图示是这些单链的截面图。刻度尺分别为：a中的5纳米，b中的100纳米，c中的100纳米，d中的50纳米，e中的1纳米，f中的2纳米，以及g至i中的100纳米。

SC-PdGeS3的晶体结构是通过TEM仔细确定的。对比度较低的TEM图像清楚地显示了剥离的SC-PdGeS3层与额外的超薄连续碳膜交织在一起（图2c,d）。能量色散X射线光谱证实这些剥离的链由Pd、Ge和S元素组成（补充图4和5）。高分辨率TEM显示SC-PdGeS3具有原子级平滑的线性边缘，宽度约为0.8纳米，这与STM的结果一致，进一步证明了剥离的PdGeS3链是单一链（图2d）。在SC-PdGeS3中清晰观察到了规则的晶格结构，晶格间距分别为0.29纳米和0.35纳米（图2d，插图）。实验得到的TEM图像与原子模型和模拟图像非常吻合（图2e）。由于单链的横截面只有少数几个原子（2-4个），因此极易受到电子束照射的损伤。因此，通过TEM获得独立单链的大尺度晶格结构的高质量图像一直具有挑战性。在剥离的链中，由几条PdGeS3链组成的束状结构较为罕见。图2f展示了PdGeS3链的高分辨率TEM图像，在其中可以看到每个单链内结构单元的周期性原子排列，边缘平滑且没有悬挂的范德华（vdW）键。

除了PdGeS3之外，通过调节插层化学过程，包括电压调控、选择季铵盐类型以及改变插层时间，其他一维范德华（1D vdW）材料也被剥离成单链（方法部分）。例如，从块状1D vdW SbPS4中剥离出了单链（补充图6）。AFM图像显示了一条孤立的剥离SbPS4链，其高度约为1.6纳米，小于两条链的总高度（2.3纳米），进一步证实了剥离的SbPS4是单链（图2g）。同时也制备出了Ta2Pd3Se8和Ta2Pt3Se8的单链，其高度分别约为1.0纳米和0.9纳米（图2h,i和补充图7）。我们提出了评估1D vdW材料剥离性的两个标准，并通过密度泛函理论计算进一步研究了插层辅助剥离的机制（详见补充图8-13）。

图3展示了SC-PdGeS3和块状PdGeS3的X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱。在SC-PdGeS3的Pd 3d光谱中（图3a），337.8和343.1电子伏特的特征峰分别对应于Pd的3d5/2和3d3/2轨道的结合能，这些峰被归因于Pd-S键。位于341.2和344.9电子伏特的峰是Pd 3d核能级的损失特征。与块状PdGeS3的情况一样，在SC-PdGeS3的Pd 3d光谱中也未检测到与氧化相关的S1或S2卫星峰（参考文献28）。S 2p光谱显示S 2p1/2和S 2p3/2峰分别位于大约163.3电子伏特和162.1电子伏特（图3b），并且在超过165电子伏特的能量上没有出现峰，这些峰被认为来自S的氧化（参考文献29），表明SC-PdGeS3中的S仍处于其原始价态且未发生氧化。SC-PdGeS3的XPS光谱与块状PdGeS3的XPS光谱相比没有明显的峰位移动，原子比例也未改变（补充图14）。这些结果证实了SC-PdGeS3的高质量，并表明PdGeS3链在剥离过程中受到的损伤很小。拉曼光谱显示，块状PdGeS3中的大多数振动模式在SC-PdGeS3中也存在（图3d）。在SC-PdGeS3中观察到了三个显著的峰，分别在134.7、302.5和431.7厘米^-1（参考文献26），这些峰与模拟结果吻合良好（补充图15）。这些峰的半高宽与块状样品中的相当，表明剥离的SC-PdGeS3具有良好的结晶性和高均匀性。这三个振动模式的原子位移模式在补充图16中有所说明，群论分析确认这三个模式都属于Ag不可约表示。值得注意的是，131.1和298.6厘米^-1的振动模式分别被识别为径向呼吸模式和径向呼吸类似模式（参考文献30和31）。与碳纳米管和石墨烯纳米带中的径向呼吸模式类似，这两个模式是源自一维结构的特征性振动模式，证实了SC-PdGeS3的一维性质。此外，在SC-PdGeS3中检测到这些Ag模式的红移，这与维度减小引起的声子限制效应相符（参考文献23,32）。电子顺磁共振光谱进一步验证了SC-PdGeS3的高质量，在g因子值为2.003附近没有检测到氧或硫的空位（参考文献33,34；补充图17）。此外，SC-PdGeS3晶体在常温条件下表现出良好的稳定性。与原始SC-PdGeS3相比，SC-PdGeS3在空气中储存1个月后，其XPS和拉曼光谱几乎没有明显变化（补充图18和19），这表明SC-PdGeS3在空气暴露后的劣化程度有限。SC-PdGeS3的良好空气稳定性和高质量使其可作为基础物理及相关应用中可靠的单链分子构建模块。

图3：PdGeS3单链的XPS和拉曼表征。

为了研究SC-PdGeS3的电子结构，采用了紫外光电子能谱（UPS）、低能逆光电子能谱（LEIPS）和紫外-可见光吸收光谱的组合方法。如图4a所示，SC-PdGeS3的价带最大值确定为费米能级（EF）下方约1.6电子伏特，导带最小值位于EF上方约0.5电子伏特。因此，SC-PdGeS3是一种半导体，其带隙约为2.1电子伏特。EF向导带的移动可能归因于内在Ge掺杂浓度极低（补充图20-22）。UV-可见光光谱显示SC-PdGeS3的吸收边缘向蓝端移动（560.8纳米），而块状样品的吸收边缘为641.7纳米（图4b和补充图23）。计算得出SC-PdGeS3的光学带隙为2.02电子伏特，块状样品的为1.81电子伏特。这些结果与普遍认可的观点一致，即维度减小导致的量子限制效应会增大导带宽度并减小价带宽度，从而导致吸收边缘向蓝端移动，同时带隙增加。与碳纳米管和纳米带不同，后者通常难以控制手性、宽度和边缘结构，从而导致电学性质变化，而SC-PdGeS3具有明确的原子结构和封闭的边缘，因此在性质方面更为可靠。

图4：SC-PdGeS3的电学性质。

SC-PdGeGeS3的电子能带结构是通过UPS和LEIPS测量的。Eg代表带隙能量，CBM代表导带最小值和EF之间的能量差，EVB代表价带最大值和EF之间的能量差。b显示了SC-PdGeS3的光学带隙。Tauc图用于确定SC-PdGeS3的光学带隙，外推的线性区域（红线）估计为大约2.02电子伏特。c是SC-PdGeS3-SET的示意图，SC-PdGeS3桥接两个通过金电极连接的石墨烯电极。栅极是一个Pt/Ti电极，中间有一层20纳米厚的HfO2介电层。d是典型SET设备的扫描电子显微镜图像，刻度尺为1微米。e是SC-PdGeS3-SET设备的稳定性图，显示了源漏电流（ISD）、偏压（VSD）和栅压（VG）之间的关系。圆圈标记为N表示任何数量的电子。

由于SC-PdGeS3的小截面尺寸相对于电子的德布罗意波长、电子的平均自由路径和激子的直径，预计单链将具有许多电子性质和量子现象。已经在SC-PdGeS3中展示了1D电荷传输特性，如Tomonaga-Luttinger液体行为（补充图24和25）。通过制造单电子晶体管（SETs）进一步研究了SC-PdGeGeS3的量子电子传输特性（补充图26和方法部分）。与传统的场效应晶体管不同，SETs的特点是在极低功率下工作，可扩展到亚纳米尺度，并且具有极高的电荷灵敏度。观察单电子传输的一个关键原则是库仑充电能量必须远大于热能，即Ec >> kBT，其中kB是玻尔兹曼常数，T代表操作温度。由于E ∝ 1/C，且电容C与有效通道面积A呈正相关（C ∝ A），减小有效面积意味着E增大，从而支持更高的操作温度。对于较厚的纳米线，通常需要mK级别的操作温度和/或较窄的通道宽度（大约几纳米）才能实现良好的单电子传输。作为vdW单链，SC-PdGeS3是一种天然的原子级晶体，具有均匀的原子 width和沿整个长度的单晶特性。SC-PdGeGeS3的长长度便于构建其SETs，其最终的尺寸和原子级晶体结构有利于在相同通道宽度下实现更高的操作温度，并具有良好的重复性。作为电子传输通道，SC-PdGeGeS3在SC-PdGeS3-SET中跨越了两个石墨烯电极之间的100纳米带隙（图4c.d和补充图27及28）。为了实现SC-PdGeGeS3桥接带隙以创建单电子传输通道，施加了适当浓度的SC-PdGeGeS3，并对制备的设备进行了 carefully cleaning（详见方法部分）。检测到SC-PdGeGeS3存在于带隙内时会产生明显的I-V响应。在低温下，当电子没有足够的热能克服电极-SC-PdGeS3势垒时，通过调节栅压使SC-PdGeS3的一个能级与一个电极的费米能级共振，SC-PdGeGeS3-SET通过单电子过程实现导电（补充图29）。库仑排斥效应每次只在一个通道中传输一个电子，产生周期性导电。我们绘制了SC-PdGeS3-SET的源漏电流ISD与栅压VG的关系图（补充图30）。随着VG的变化，在小偏压VSD下ISD出现了周期性峰值，表明SC-PdGeGeS3-SET具有周期性导电共振。SC-PdGeS3-SET的典型稳定性图显示出一个明显的导电抑制区域，这与通过多电子状态中的单个库仑阻塞点的单电子传输特性相符（图4e）。我们强调，在不同设备中都可以观察到库仑阻塞现象（补充图31），这突显了这些设备的重复性。在稳定性图中随后观察到了周期性库仑峰，这些峰具有两个明显的斜率（一个正一个负）。这些库仑峰展示了SET中典型的单电子传输特性；确认只有一个SC-PdGeGeS3桥接了带隙，并且SC-PdGeGeS3具有精确的原子边缘和没有无序的局域化边缘态。从这些库仑峰中提取出的额外能量几乎相同，Eadd ≈ 48 meV。由于充电能量Ec = e2/CΣ ≈ Eadd，计算得出SC-PdGeS3-SET的总电容CΣ约为3.34阿法法（aF）。将温度升高到20开尔文（K）后，库仑钻石的尺寸减小，电流谷也被抬高，这正如预期的那样，突显了SC-PdGeS3-SET的单电子传输特性（见补充图32）。

结论：通过精确的电化学插层和温和的剥离方法，我们制备出了具有单一链结构的均匀一维范德瓦尔斯（vdW）晶体。所得到的PdGeS3单链宽度约为0.8纳米（nm），长度可达微米级，单链的纯度高达90%。其明确的化学结构以及原子级光滑的vdW边缘证明了这种单链结构的稳定性，这归因于链内的共价键合。这些单链还表现出高晶体质量和良好的空气稳定性，使得之前无法测量的电学性质得以研究。研究表明，作为单电子通道的PdGeS3单链展现了典型的单电子传输特性。这些结果将为制备具有不同带隙的单链一维vdW晶体库提供支持，这些晶体的带隙范围从绝缘体、半导体、导体到超导体都有，类似于单层二维材料的情况。这种原子级精确宽度的单链超出了半导体行业光刻技术的尺寸限制，可能有助于维持摩尔定律的发展，其单电子晶体管特性有望缓解高密度集成电路中的热效应。高质量的制备使得这些单链有可能成为下一代亚纳米级器件和量子计算的关键组成部分。

**方法：**

- **一维vdW晶体的合成：**
采用标准化学气相传输法制备了一维vdW单晶体。将Pd（0.2320克，纯度99.99%，Alfa Aesar）、Ge（0.1583克，纯度99.99%，Alfa Aesar）和S（0.2097克，纯度99.999%，Alfa Aesar）按化学计量比混合后真空封存于石英管中。将石英管放入管式炉中，将含有前驱体的石英管一端以每小时50℃的速率加热至650℃并保持该温度超过7天，随后缓慢冷却至室温，从而得到一维vdW单晶体PdGeS3。

- **单链一维晶体的制备：**
使用两电极电化学电池进行插层反应。对于PdGeS3，将少量（约3毫克）PdGeS3单晶体包裹在不锈钢网中并固定在铂夹子上，PdGeS3块体材料作为阴极，石墨棒作为阳极。电解液由TBAB（≥0.2克）和丙碳酸酯（40毫升）组成。施加3-5伏电压，插层过程持续30-90分钟。之后用无水乙醇多次清洗插入的PdGeS3晶体以去除多余的TBAB，并将其分散在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中。通过简单的手动振荡，获得PdGeS3单链的分散液。再将分散液在21,530g下离心15分钟，在860g下离心60分钟以去除大块物质和其他杂质，最终得到均匀的PdGeS3单链溶液。其他单链材料（如SbPS4、Ta2Pd3Se8和Ta2Pt3Se8）的制备过程类似，只是使用相应的晶体作为阴极。可以通过调整电解液成分和插层电压来调控插层速率。电解液中的TBAB可以用四烷基铵、四戊基铵、四己基铵、四庚基铵、四辛基铵或十四烷基铵溴化物替代。

- **器件制备：**
首先使用磁控溅射在1厘米×1厘米的Si/SiO2基底上沉积8纳米厚的钛层和40纳米厚的铂层，然后采用原子层沉积（ALD）技术沉积10纳米厚的二氧化铪（HfO2）层。通过湿法转移工艺将化学气相沉积得到的石墨烯精确转移到涂有HfO2的Si/SiO2基底上。用热丙酮处理石墨烯表面以去除残留的聚甲基丙烯酸酯。接着通过光刻技术在石墨烯上制备出带状结构，随后通过光刻和热蒸发在石墨烯上制备外部金属电极（8纳米Cr/80纳米Au）。进一步通过电子束光刻技术在两个石墨烯电极之间制备约100纳米的纳米间隙。最后，将带有石墨烯电极和纳米间隙的基底浸入低浓度的SC-PdGeS3溶液中，取出后依次用丙酮和超纯水冲洗并置于氮气流中干燥，从而得到SC-PdGeS3-SET。

- **电学测量：**
使用Keysight B1500A半导体参数系统对单电子晶体管进行表征。将含有SC-PdGeS3器件的芯片通过导电银浆连接到样品杆上，并放置于物理性质测量系统（Quantum Design, Inc.）中。

- **STM样品制备：**
用于STM表征的PdGeS3链都是新制备的，经过多次清洁和离心处理以确保样品的纯净度。插层反应完成后，样品迅速浸入无水乙醇中，然后用流动乙醇和异丙醇依次冲洗以去除大部分残留的TBAB和其他有机杂质。将清洗后的样品转移到含有NMP的离心管中轻轻摇晃以剥离并分散。所得分散液在21,530g下离心15分钟，在860g下离心60分钟以去除插入链间的TBA+，之后多次用乙醇清洗沉淀物。将沉淀物重新分散在NMP中，并重复上述离心清洗过程1-2次以尽可能完全去除TBA+。最后将沉淀物重新分散在NMP中并在860g下离心60分钟以去除未剥离的样品和其他杂质，收集均匀分散的PdGeS3单链溶液。其他单链材料（如SbPS4、Ta2Pd3Se8和Ta2Pt3Se8）的制备过程类似，只是使用相应的晶体作为阴极。

上述研究为制备具有不同带隙的单链一维vdW晶体库奠定了基础，这些晶体的应用范围从绝缘体、半导体、导体到超导体都有可能，类似于单层二维材料的情况。这些具有原子级精确宽度的单链超出了半导体行业光刻技术的尺寸限制，有望维持摩尔定律的发展，其单电子晶体管特性可能有助于减轻高密度集成电路中的热效应。高质量的制备使得这些单链有望成为下一代亚纳米级器件和量子计算的关键组件。