天大團隊成果為自旋電子學開辟新路徑

日前，天津大學教授胡文平、雷圣賓、李奇峰和副教授沈永濤聯合團隊在國際知名期刊《自然·材料》上發表了研究成果。該團隊開發了一種名為“石蠟輔助浸入法”的新技術，成功制備出具有可控手性的石墨烯卷，為二維材料的手性調控及其在自旋電子學領域的應用提供了全新思路。

據介紹，該研究進展不僅為材料科學領域注入了新活力，也為未來量子計算和自旋電子器件的發展奠定了堅實基礎。

手性是指物體與其鏡像不能完全重合的特性，就像人類的左手和右手一樣。手性在自然界中無處不在，從分子到材料，手性結構往往表現出獨特的光學、電子和化學性質。例如，許多藥物分子因其手性不同而具有截然不同的生物活性。在材料科學領域，手性材料的開發對于推動光學器件、自旋電子學和量子計算等前沿技術的發展具有重要意義。

石墨烯作為一種經典的二維材料，因其高電導率、優異的機械強度和化學穩定性，一直是材料科學研究的焦點。然而，石墨烯本身是無手性的。近年來，科學家們嘗試通過卷曲等方式將手性引入石墨烯和其他二維材料中，以探索其潛在的新特性和應用。然而，如何在二維材料中精確引入手性仍然是一個巨大的挑戰。目前，能夠實現手性自旋電子學功能的二維材料非常有限，且缺乏普適的制備方法。天津大學團隊的研究正是針對這一難題展開的。

針對這一難題，天津大學研究團隊開發出一種名為“石蠟輔助浸入法”的新技術，能夠以可控的角度卷曲石墨烯，從而制備出具有特定手性的石墨烯卷。這種方法不僅適用于石墨烯，還可以推廣到其他二維材料中，實現高產量生產。研究人員在單晶石墨烯表面涂覆一層石蠟，并將其轉移到硅基板上。隨后，通過將樣品垂直浸入異丙醇中，利用溶劑的表面張力將石墨烯卷曲成管狀結構。通過調整浸入速度和溶劑極性，研究人員能夠精確控制石墨烯卷的手性角度，從而調控其光學和電子特性。

實驗結果表明，制備出的左旋和右旋石墨烯卷表現出顯著的光學活性和優異的自旋選擇性效應。在室溫下，這些石墨烯卷的自旋極化率超過90%，遠高于其它碳材料。通過精確控制手性角度，研究人員還實現了手性誘導的自旋選擇性調控，這一特性使石墨烯卷在自旋電子學領域具有獨特的應用潛力。此外，研究團隊還發現，電子主要沿著石墨烯卷的一側移動，從而產生優先自旋極化。這種手性誘導的自旋選擇性效應為開發高效的自旋濾波器和自旋電子器件提供了新的可能性。

“這項研究成果不僅為非手性二維材料的手性調控提供了一種通用方法，還為探索量子行為和開發室溫自旋電子技術開辟了新的方向。”雷圣賓介紹，“未來，這項技術有望在自旋電子器件、量子計算、光學器件、材料科學等領域實現超越傳統碳材料的獨特功能，也為自旋電子學和量子技術的發展注入了新的活力。

相關論文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.13930