我国科学家首次成功制备狭义一维材料——实现0.8纳米晶体管。 在纳米材料研究领域，从二维单层到一维单链的维度跨越，始终是科学家们追求的重要方向——它不仅关乎基础物理现象的探索，更承载着下一代一纳米以内电路的发展希望。2026年5月6日，我国科研团队在Nature Synthesis期刊发表了题为Preparation of single-chain one-dimensional van der Waals materials的研究成果，首次实现了狭义一维材料——单链一维范德华（vdW）材料的高效、高质量制备，为量子计算、高密度集成电路等领域开辟了新路径。
这项研究由中国科学院化学研究所、北京大学联合完成，论文通讯作者是郑健研究员、郭雪峰教授、董际臣研究员和崔雪萍副研究员，第一作者是占鹏鑫、吴昊、杨培琳。团队通过精准电化学插层与温和剥离相结合的策略，成功大规模制备出独立、稳定的单链PdGeS3晶体，其单链比例高达90%，宽度仅约0.8纳米，长度达微米级，具有原子级精确和光滑的范德华边缘，展现了典型的单电子传输特性。是目前最接近理想一维量子链的实验体系，为验证一维物理理论提供了新的平台。最关键的是作为自然界中最窄的固态晶体材料，狭义一维材料很有可能终结摩尔定律，甚至成为人类半导体工业的终点。
自石墨烯被发现以来，二维范德华材料由于一个维度的量子限域效应，产生了许多优异独特的物理化学性质，在电子器件、能源存储等领域展现出巨大的应用潜力。更低的维度有望带来更强的量子限域效应，催生更加新奇的物性和功能。单链一维范德华材料其直径可低至1 nm以下（2~4个原子宽度），具有原子级精确的结构、边缘闭合的化学键以及独特的一维物理属性。其成功制备在科学上标志着降维至材料极限，有望显著重塑电子态与输运行为，为研究一维极限下的多体相互作用、量子输运及单电子器件提供理想平台，进而推动量子信息与存储等前沿应用；在工业上则意味着突破传统光刻物理极限，促进更高密度集成和更低功耗芯片的实现，为我国引领未来半导体产业发展、抢占全球市场制高点提供重要的物质科学基础。然而，单链一维材料的横向宽度仅有几个原子，其本征结构对缺陷的容忍度远低于二维材料，常见的缺陷如几个原子的丢失即可引发链的断裂、分解，目前尚未有可靠的方法实现独立单链一维范德华材料的制备。
图1：一维范德华PdGeS3晶体结构及制备过程示意图。
针对上述挑战，研究团队采用了精准的有机阳离子电化学插层和温和手动剥离的两步法。首先，通过精准控制电化学条件，将四丁基铵阳离子插入PdGeS3体相晶体的链间范德华间隙中——这种阳离子体积大、空间位阻高，既能有效增大链间距离、削弱范德华作用力，又能避免过量电子注入导致的材料缺陷。进一步采用温和手动摇晃的方式进行剥离，有效地避免了传统超声剥离中剪切力等对单链结构的破坏。离心纯化后，最终获得了均匀稳定的单链PdGeS3分散液，其中单链比例高达90%，最长链长度可达4.5微米。
图2：单链1D晶体形貌结构表征。
借助扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）等多种表征技术，团队证实了单链PdGeS3具有0.8纳米的均一宽度，原子级光滑的范德华边缘，无悬挂键，以及高的晶体质量。X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱显示，单链材料在剥离过程中未发生氧化，原子比例保持不变，展示了很好的空气稳定性。另外，研究团队通过调控插层电压、季铵盐类型和插层时间，成功剥离获得了单链SbPS4、Ta2Pd3Se8、Ta2Pt3Se8，验证了策略的通用性。这预示着未来有望构建包含绝缘体、半导体、导体甚至超导体的单链一维范德华材料库，为不同场景的器件应用提供丰富选择。
图3：单链1D PdGeS3晶体的单电子场效应晶体管。
研究人员利用紫外光电子能谱和低能反光电子能谱研究了单链PdGeS3的能带结构。材料呈现出明显的量子限制效应——光学带隙从体相的1.81 eV提升至2.02 eV，传输带隙约为2.1 eV。另外，基于单链PdGeS3的高比例，较长的长度以及小于电子德布罗意波长、电子的平均自由程和激子直径的横截面尺寸，以单链PdGeS3为电子传输通道，成功构筑了单电子场效应晶体管（SET），该器件具有极低的功耗、亚纳米尺度以及极高的电荷灵敏度。通过调节电势，使沟道中单链电势与沟道两端势垒产生共振，从而电子从电极传输至单链中；由于库仑排斥作用，当沟道中已存在一个电子时，下一个电子将无法从电极隧穿进入单链沟道中，产生周期性电导。图3是单链PdGeS3-SET器件的稳定性图，展示了典型的库仑阻塞和周期性库仑菱形特征，证实了其在量子传输中的应用潜力。
这项研究成果，不仅为基础物理研究提供了理想的一维量子体系——可用于探索托马纳-卢廷格液体等一维特有物理现象，更在工业应用中展现出非凡的潜力：具有本征亚纳米宽度的单链材料，突破了现有光刻技术的分辨率极限，有望助力延续摩尔定律，为高密度集成电路的发展提供新组件，缓解芯片散热难题。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-026-01071-y
作者：崔雪萍等 来源：《自然-合成》
