天津大学，Nature Materials！

米测MeLab

2025-03-06

研究背景

手性是一个基础的物理性质，在化学、物理学及材料科学等多个领域中具有重要应用。近年来，手性材料因其在光学、电子学及自旋电子学等领域的潜力而备受关注。特别是在二维材料中，手性的引入能够带来增强的光学活性、可调的电子特性以及选择性化学反应性。然而，传统二维材料通常为非手性材料，如何有效地将手性引入这些材料成为了研究的难题。相比传统材料，具有可调手性的二维材料能够展示出更丰富的物理现象，例如拓扑效应和非常规量子行为，具有巨大的应用潜力。然而，由于手性引入的难度大，导致在实验中面临诸多挑战。

鉴于此，天津大学胡文平教授团队、雷圣宾教授课题组以及沈永涛、李奇峰等人在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Graphene rolls with tunable chirality”的最新论文。该团队提出了一种蜡辅助浸渍方法，成功地制造出了具有可调手性角度的石墨烯卷，并且该方法可以推广至其他二维材料的高效、高产率制备。通过精确控制手性角度，团队建立了卷曲角度、拉曼光学活性和手性引发的自旋选择性效应之间的定量关系。研究表明，石墨烯卷展现了明显的自旋极化效应，在室温下的自旋极化度超过90%。这一发现为手性石墨烯卷的实际应用，尤其是在自旋电子学和光学领域，开辟了新的方向。

利用该方法，团队不仅成功实现了石墨烯卷的制备，还揭示了手性卷曲对电子运输特性的影响。石墨烯卷中的电子流动在卷曲的一侧展现出偏好的自旋极化，从而实现了手性引发的自旋选择性效应。这一效果的出现，突破了传统碳材料和有机手性材料在自旋操控方面的局限，为二维材料的自旋电子学研究提供了新的思路和实验基础。这一研究成果为二维材料的手性调控提供了新的方法，并推动了量子行为和室温自旋电子技术的发展，具有广泛的应用前景。    

研究亮点

1.实验首次开发了蜡辅助浸渍方法，成功获得了具有可调手性角度的石墨烯卷。通过该方法，研究者实现了石墨烯卷的可控手性，解决了以往在二维材料中精确控制手性的问题，并可以在其他常规二维材料中推广应用。

2.实验通过该方法对石墨烯卷进行了系统表征，发现其展现出优异的自旋选择性效应。左手性和右手性卷分别表现出超过90%的自旋极化度，并展示了光学活性。这些手性卷具有独特的自旋选择性效应，尤其在室温下依然能够稳定表现。

3.实验结合拉曼光学活性（ROA）和曲率模式等参数，揭示了手性卷的光学和电子特性之间的关系。研究表明，石墨烯卷的曲率模式与其拉曼光学活性和手性引发的自旋选择性效应（CISS）密切相关。通过可调的手性角度，能够定量研究这些效应的变化。

4.实验通过mCP-AFM测量和电子能带结构分析，表明手性卷具有半导体特性并对自旋电子学具有潜力。通过原位的mCP-AFM测量，研究人员揭示了石墨烯卷在电子传输上的独特性质，进一步表明其在自旋电子学和量子技术中具有应用前景。

图文解读

  图1：手性石墨烯卷的形成示意图和统计分析。

图2：石墨烯卷的结构表征。

图3：手性石墨烯卷的拉曼光谱和拉曼光学活性（ROA）谱。    

图4：原位mCP-AFM测量和半导体卷的电子能带结构。

结论展望

总之，本文提出的蜡辅助浸渍方法是一种通用的方法，可高产率地制备二维材料的手性卷。通过该方法，作者实现了将二维非手性石墨烯转变为一维手性石墨烯卷，并探索了其迷人的自旋电子学特性。作者预计，进一步研究手性角度的调控及其与卷曲CISS效应的关系，将为调整石墨烯及其他二维材料的电子结构提供更多自由度。手性卷材料中独特的单向流动特性赋予了强大的自旋选择性，促进了高效的电子自旋调控，使石墨烯卷具备了多功能的自旋电子学功能。此外，这些材料中自旋和轨道自由度的相互作用为量子现象和拓扑态开辟了新的方向，提供了实现异质量子器件和容错量子计算平台的潜力。通过研究手性二维材料，研究人员可以释放它们在开发具有增强功能和前所未有现象的下一代器件方面的全部潜力，例如手性等离子体和非线性霍尔效应。进一步研究手性二维材料有望革新多个领域，并推动材料科学的创新。    

原文详情：

Zhang, E., Ding, S., Li, X. et al. Graphene rolls with tunable chirality. Nat. Mater. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02127-8