天津大学团队开发出手性可控的石墨烯卷制备新方法

在非手性石墨烯以及其他二维材料中，研究者通过引入手性特性，成功开发出一种潜在应用于先进光学、电子学以及自旋电子学领域的新型材料。然而，由于实验技术上的限制，尤其是在精确控制这些材料手性方面的挑战，相关领域的研究进展一度受到制约。

近日，由天津大学胡文平教授团队牵头，联合雷圣宾、李奇峰教授以及沈永涛副教授共同开展的研究取得重要突破。他们利用自主研发的“石蜡辅助浸入法”，成功制备出具备可控手性的石墨烯卷。这一研究成果于2025年2月22日发表在国际权威期刊自然·材料上。研究表明，该技术首次在室温条件下实现了手性石墨烯卷超过90%的自旋极化率，为量子计算和自旋电子器件的发展提供了关键技术支撑。

研究人员通过“石蜡辅助浸入法”控制石墨烯浸入溶剂时的垂直速度与角度，实现对其精准卷曲的操作。具体而言，单晶石墨烯表面在涂覆石蜡后，可定向卷曲于异丙醇中。实验结果表明，该方法能够将石墨烯卷的手性角精确调节至-30°至30°范围内，同时保持层间距稳定在0.34±0.02纳米。值得注意的是，这种方法不仅适用于石墨烯，还可推广至其他二维材料的大规模制备，有效解决了传统卷曲技术中沿锯齿形边缘易裂解的问题。

进一步研究发现，左手与右手石墨烯卷在光学活性上表现出显著差异。通过拉曼光谱和透射电镜验证，其室温下的自旋极化率超过90%。基于狄拉克费米子模型的理论分析显示，电子在手性卷曲侧的优先运动产生了强烈的自旋选择性效应，这种现象主要源于曲率引发的自旋-轨道耦合作用，而非传统意义上的重原子贡献。

此外，原位磁导电原子力显微镜测试结果表明，右手石墨烯卷在特定磁化方向下表现出显著增强的电流特性，而左手石墨烯卷则呈现相反的现象。这种依赖手性的自旋滤波效应为设计和构建高效自旋电子器件（例如磁随机存储器）开辟了全新的路径。

该研究不仅为手性材料的应用奠定了坚实的基础，还为未来量子计算与自旋电子学领域的技术革新提供了重要的科学依据和技术支持。