天大胡文平教授团队NM：手性可调的石墨烯卷

手性是一种基本特性，对化学、物理学和材料科学等多个科学学科都有着深远的影响。利用非手性石墨烯和其他二维 (2D) 范德华材料创造手性已成为一个引人注目的研究领域，它具有增强的光学活性、可调的电子特性和选择性化学反应性等卓越特性和有前景的应用。此外， 2D 材料的手性促成了拓扑效应和非传统量子行为等新物理现象的出现，这些现象对于促进基础科学理解和技术创新都具有巨大潜力。然而，将手性融入 2D 架构目前具有挑战性，而且据报道的表现出手性自旋电子功能的 2D 手性材料的例子相对有限。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阻力，是手性自旋电子器件的优秀候选材料。以特定角度卷绕是将手性引入二维材料的一种直接方法。然而，由于缺乏通用的手性卷绕方法，对手性石墨烯卷，甚至任何材料的手性卷状结构的实验研究仍然严重不足。

天津大学胡文平教授、雷圣宾教授、李奇峰教授、沈永涛副教授等研究人员 提出了一种蜡辅助浸没方法来获得具有可调手性角的石墨烯卷，该方法不仅可以精确控制手性角，还可以促进高效、高产量的制造，并可推广到其他传统的二维材料中。左手和右手卷表现出光学活性和出色的自旋选择效应，在 室温下自旋极化超过 90% 。 通过这种连续定义的手性可调性，分别使用滚动手性角、 H 因子和自旋极化比参数，定量建立了石墨烯卷的曲率模式、拉曼光学活性和手性诱导的自旋选择性 (CISS) 效应之间的相关性。石墨烯具有出色的自旋相干时间，正如 ¹² C 原子中弱的自旋轨道相互作用 (SOI) 和缺乏核自旋所预期的那样，这在理论上使其成为高质量自旋传输的有希望的候选者。然而，碳基系统的弱 SOI 也使得室温下自旋电子功能所需的强自旋操控在实验上极具挑战性。石墨烯卷中电子的单侧流动导致自旋轨道耦合电荷传输中的优先自旋极化，从而产生即使在室温下也能观察到的迷人的 CISS 效应。

相关研究成果2025年2月21日以“ Graphene rolls with tunable chirality ”为题发表在 Nature Materials 上。

开发了一种通用的蜡辅助浸渍方法 ：开发了一种通用的蜡辅助浸渍方法，用于制备具有可调手性角度的石墨烯卷。这种方法不仅适用于石墨烯，还可以推广到其他二维材料，实现高产率的制备。

实现了石墨烯卷的手性调控 ：通过蜡辅助浸渍方法，成功制备了具有不同手性角度的石墨烯卷，包括左手性和右手性卷。这些石墨烯卷在光学活性和自旋选择性方面表现出显著的性能。

高自旋选择性 ：实验结果显示，这些石墨烯卷在室温下表现出超过 90% 的自旋极化率，这是通过精确控制手性角度实现的。

理论模型支持 ：提出了一个基于狄拉克费米子模型的理论框架，解释了手性卷中的电子在曲率诱导的自旋轨道耦合作用下，如何发展出优选的自旋极化。

普适性验证 ：通过将其他二维材料（如 MoS ₂ 、 WS ₂ 、 WSe ₂ 和六方氮化硼）进行卷曲，验证了蜡辅助浸渍方法的普适性。

图 1. 手性石墨烯卷形成的示意图和统计分析

图 2. 石墨烯卷的结构特征

图 3. 手性石墨烯卷的拉曼光谱和 ROA 光谱

图 4. 半导体卷的原位 mCP-AFM 测量和电子能带结构

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