实现晶体管的微型化是提升芯片性能的关键因素之一,然而随着晶体管尺寸的不断减小,面临了难以克服的摩尔定律物理限制和巨大的成本消耗,导致其微型化进程缓慢。利用单个分子构建的晶体管有望成为未来小型化芯片的重要组成单元,因为单分子晶体管尺寸可达到亚纳米尺度,从根本上可突破摩尔定律发展的物理极限,开辟芯片发展的新方向。在本论文中,利用微纳加工方法制备了阵列化的石墨烯纳米点电极对,将单个分子通过酰胺共价键连接到石墨烯纳米电极对之间构建了稳定的单分子电子器件,并从单分子尺度来研究物理化学反应过程的本质规律以及调控规律。在避免系综体系的平均效应的同时,进一步实现对单分子器件的多功能化的探索。本文的研究工作分为以下三个部分进行介绍:1.利用离子液体栅调控的单分子场效应晶体管。具有实际应用价值的理想场效应管应具有室温稳定性和高性能的优点,即栅极调节能力强、器件开关比高、功耗低。然而大多数单分子场效应晶体管都是在低温下实现的,而它们在室温下的性能一般。之前报道的石墨烯基单分子场效应晶体管尽管能够在室温下实现双极调控的功能,但由于分子导电性和电子云离域程度较差,导致栅电极对分子轨道调控效率普遍不高,开关比等性能较差。围绕着这一关键问题,我们在实验中选取卟啉分子、八面体金属锌配合物分子体系成功构筑了石墨烯基单分子场效应晶体管,分别通过增大分子整体的共轭程度和引入金属原子增大导电性的方法提高了器件的开态电流。在卟啉单分子场效应晶体管中将开关比提高至约4800,亚阈值摆幅减小至约179mV/dec。实验中通过离子液体栅有效地调控了分子前线轨道能级,进而提高了器件的开关比等性能参数。2.单分子卟啉内氢迁移过程的动态监测。无金属卟啉是一种深红色晶体化合物,在光合作用、金属配位化学等反应过程中发挥着重要作用。其内部两个氢原子可以在一个由四个氮位点组成的框架中迁移发生内部氢迁移。卟啉分子内氢迁移在扫描隧道显微镜以及机械可控断裂结体系中被广泛研究,但是由于卟啉分子氢迁移发生的速率很快,使得现象在常规环境中的观测和应用受到了限制。通过石墨烯电极的单分子器件平台,本文发现了卟啉分子在液氮温度和室温范围的具有明显偏压依赖型的电导双稳态切换和电导四稳态切换,实验数据经过阿伦尼乌斯公式拟合得到的反应活化能与理论计算的氢迁移反应活化能接近,验证了以上现象来自于卟啉分子内部的氢迁移过程。进一步地,通过对卟啉分子各个氢迁移构型的透射谱模拟,我们将各个电导态进行了合理的归属,明晰了石墨烯基单分子卟啉器件中的氢迁移规律。3.金属配位分子的氧化还原过程的动态监测。器件高低态的切换在信号处理和存储中有非常重要的应用。在这一部分中,通过金属铁配位的八面体分子的金属氧化还原反应过程实现了高低电导态切换。由于八面体型金属配位分子中的金属原子周围的电子和自旋密度在电学和空间上高度局域,使其成为一个较大的量子点体系;此外,将金属原子放置在分子骨架中心,在增大器件电导的同时,保证了分子与电场的作用最大化。本文通过将铁配合物分子通过酰胺键连接到石墨烯基单分子器件中,在伏安特性曲线和电流-时间轨迹图中发现了由于铁原子氧化还原产生的双稳态电导切换;进一步进行调研文献,将不同器件中表现出的负微分电阻效应和偏压依赖性归因于分子结构中“万向节”角度的不同。