天大团队成果为自旋电子学开辟新路径

日前，天津大学教授胡文平、雷圣宾、李奇峰和副教授沈永涛联合团队在国际知名期刊《自然·材料》上发表了研究成果。该团队开发了一种名为“石蜡辅助浸入法”的新技术，成功制备出具有可控手性的石墨烯卷，为二维材料的手性调控及其在自旋电子学领域的应用提供了全新思路。

据介绍，该研究进展不仅为材料科学领域注入了新活力，也为未来量子计算和自旋电子器件的发展奠定了坚实基础。

手性是指物体与其镜像不能完全重合的特性，就像人类的左手和右手一样。手性在自然界中无处不在，从分子到材料，手性结构往往表现出独特的光学、电子和化学性质。例如，许多药物分子因其手性不同而具有截然不同的生物活性。在材料科学领域，手性材料的开发对于推动光学器件、自旋电子学和量子计算等前沿技术的发展具有重要意义。

石墨烯作为一种经典的二维材料，因其高电导率、优异的机械强度和化学稳定性，一直是材料科学研究的焦点。然而，石墨烯本身是无手性的。近年来，科学家们尝试通过卷曲等方式将手性引入石墨烯和其他二维材料中，以探索其潜在的新特性和应用。然而，如何在二维材料中精确引入手性仍然是一个巨大的挑战。目前，能够实现手性自旋电子学功能的二维材料非常有限，且缺乏普适的制备方法。天津大学团队的研究正是针对这一难题展开的。

针对这一难题，天津大学研究团队开发出一种名为“石蜡辅助浸入法”的新技术，能够以可控的角度卷曲石墨烯，从而制备出具有特定手性的石墨烯卷。这种方法不仅适用于石墨烯，还可以推广到其他二维材料中，实现高产量生产。研究人员在单晶石墨烯表面涂覆一层石蜡，并将其转移到硅基板上。随后，通过将样品垂直浸入异丙醇中，利用溶剂的表面张力将石墨烯卷曲成管状结构。通过调整浸入速度和溶剂极性，研究人员能够精确控制石墨烯卷的手性角度，从而调控其光学和电子特性。

实验结果表明，制备出的左旋和右旋石墨烯卷表现出显著的光学活性和优异的自旋选择性效应。在室温下，这些石墨烯卷的自旋极化率超过90%，远高于其它碳材料。通过精确控制手性角度，研究人员还实现了手性诱导的自旋选择性调控，这一特性使石墨烯卷在自旋电子学领域具有独特的应用潜力。此外，研究团队还发现，电子主要沿着石墨烯卷的一侧移动，从而产生优先自旋极化。这种手性诱导的自旋选择性效应为开发高效的自旋滤波器和自旋电子器件提供了新的可能性。

“这项研究成果不仅为非手性二维材料的手性调控提供了一种通用方法，还为探索量子行为和开发室温自旋电子技术开辟了新的方向。”雷圣宾介绍，“未来，这项技术有望在自旋电子器件、量子计算、光学器件、材料科学等领域实现超越传统碳材料的独特功能，也为自旋电子学和量子技术的发展注入了新的活力。

相关论文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.13930