哈尔滨理工大学张桂玲教授课题组设计了内嵌金属Fe原子的Fe@C₆₀-GNR分子器件，采用四种不同的电极连接方式利用密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)方法对它们的输运特性进行了研究。结果表明，Fe@C₆₀-GNR分子器件具有稳定、可操纵的输运性质，本文为实验开发开(关)-关(开)-开(关)电流开关提供了新的思路。

微型化、集成化和智能化是当今电子设备发展的主流趋势，从分子水平对器件的电子特性进行调控，在纳米电子学领域具有重要意义。零维的富勒烯(C₆₀)拥有完美的笼状全碳分子结构，因此具备了如超导性、高磁性和耐高压性等特点；二维的石墨烯具有高机械强度、巨大的表面积、良好的化学稳定性和优异的载流子迁移率，两者在电子器件领域均具有巨大的应用潜力，而将两者结合在一起应用于电子器件所表现出的性质更是让人期待。

通过将功能化的C₆₀与石墨烯纳米电极以π−π相互作用方式相连接，Chit Siong Lau等人成功制备了C₆₀-GNR单分子晶体管。研究表明，该材料具有较强的氧化还原依赖弗兰克·康登阻塞(Franck–Condon blockade)和雪崩输运特性。在此实验突破的基础上，张桂玲教授课题组考虑到金属内嵌富勒烯(M@Cn)具有的传统分子材料无法比拟的超导、非线性光学性质和磁性等独特性质，设计出了内嵌金属Fe原子的Fe@C₆₀-GNR分子器件(如图1所示)，在理论上对它们的输运性质进行了研究。

结果表明，无论电极连接方式如何，所有器件在0.2 V偏压下都会产生较小的负差分电阻(NDR)峰，而在1.2V偏压下则会产生较高的NDR峰，因此展现出稳定、可操纵的传输特性，为实验开发开(关)-关(开)-开(关)电流开关提供了新的思路。基于不同的电极连接顺序，材料峰谷电流比(R_max)范围从454到2737，表明了其在开发动态随机存取存储器(DRAM)单元的潜在应用。在C₆₀中封装Fe原子除了提高C₆₀-GNR分子的导电性，还可以引入自旋极化传输特性。几乎所有Fe@C₆₀-GNR器件的自旋滤波效率(SFE)都会随着偏置电压的变化而上下摆动，为该分子在设计开(关)-关(开)-开(关)自旋开关方面提供了可能。所有这些迷人的特征为通过在C₆₀内部嵌入磁性过渡金属原子来设计具有多种功能的分子器件提供了重要理论依据。