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天津大学胡文平团队,再发Nature Materials!

作者:   来源:      发布日期:2025-02-25   浏览:


手性是一个基本属性,在化学、物理和材料科学等多个学科中具有深远的影响。通过在非手性石墨烯和其他二维(2D)范德瓦尔斯材料中创建手性,已经成为一个引人入胜的研究领域,展示了优异的性能和令人期待的应用,如增强的光学活性、可调的电子特性和选择性化学反应性。此外,二维材料的手性催生了新颖的物理现象,如拓扑效应和非常规量子行为,这些现象在推动基础科学理解和技术创新方面具有巨大潜力。

然而,手性引入到二维架构中的过程仍面临着挑战,目前已有的具有自旋电子功能的二维手性材料的例子仍然相对有限。石墨烯作为最经典的二维材料之一,具有高电导率、优异的电化学稳定性和高机械强度,使其成为自旋电子学器件的理想候选材料。将其以特定角度卷曲是将手性引入二维材料的一种简便方式。然而,由于缺乏通用的手性卷曲方法,关于手性石墨烯卷甚至任何材料的手性卷状结构的实验研究仍然非常有限。

在此,天津大学胡文平教授团队、雷圣宾教授课题组以及沈永涛、李奇峰等研究者提出了一种蜡辅助浸渍方法,用于制造具有可调手性角度的石墨烯卷,以克服这些挑战。研究者的方法不仅能够精确控制手性角度,还能够实现高效、高产率的制造,并且可以推广到其他常规二维材料中。通过这种持续定义的手性可调性,研究者定量建立了石墨烯卷的曲率模式、拉曼光学活性和手性引发的自旋选择性(CISS)效应之间的关系,分别使用卷曲手性角度、H因子和自旋极化比等参数。正如预期的那样,石墨烯的自旋相干时间异常,由于其弱自旋-轨道相互作用(SOI)和12C原子中缺乏核自旋,使其在理论上成为高质量自旋传输的理想候选材料。然而,碳基体系的弱自旋-轨道相互作用也使得在室温下进行自旋电子功能所需的强自旋调控极具实验挑战性。

值得注意的是,石墨烯卷中电子的单侧流动导致在自旋-轨道耦合电荷传输中产生了偏好的自旋极化,从而引发了即使在室温下也能观察到的迷人的CISS效应。研究者手性石墨烯卷的卷曲拓扑结构定义了单向电子传输的明确手性,这与更广泛研究的碳纳米管中的传输方式根本不同。研究者的研究不仅为可控制造手性石墨烯卷提供了新的见解,也为其与光学手性、自旋电子学及其他领域的连接奠定了重要的实验基础。这一特性在传统有机手性材料以及类似的碳基材料中是独特的,且难以实现。研究者相信,这项研究将为传统非手性二维材料赋予手性和自旋-轨道相互作用的转变性增强,激活二维手性材料领域,并推动它们在未来物理学、材料学和技术中的广泛应用。