2025年2月4日，康奈爾大學(xué)、羅徹斯特理工學(xué)院（RIT）以及幾所歐洲機(jī)構(gòu)的研究人員攜手合作，取得一項(xiàng)突破性成果。他們研發(fā)出一種強(qiáng)大且可擴(kuò)展的方法，成功將手性引入半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)，這一創(chuàng)舉有望極大地推動光子技術(shù)的發(fā)展。

    手性材料在光、自旋和電荷控制方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，對于依賴光偏振控制的光子技術(shù)，如顯示器、傳感器和光通信等領(lǐng)域意義重大。以往，手性材料多由有機(jī)分子通過激子耦合產(chǎn)生，而從無機(jī)半導(dǎo)體中制造手性材料卻困難重重，因?yàn)榫_控制納米材料間的相互作用極具挑戰(zhàn)。

    研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，通過蒸發(fā)沉積工藝，從三種不同的無機(jī)半導(dǎo)體納米團(tuán)簇——硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）和碲化鎘（CdTe）中成功形成手性薄膜。這些薄膜均展現(xiàn)出圓二色性，這是手性的關(guān)鍵特征?？的螤柎髮W(xué)教授理查德·羅賓遜（RichardD.Robinson）解釋道：“圓二色性意味著材料對左旋和右旋圓偏振光的吸收存在差異，如同螺紋決定物體的扭曲方向。”

    研究人員采用高度濃縮的非對稱半導(dǎo)體魔法尺寸納米團(tuán)簇溶液，使其通過受控干燥的彎月面前端。這些魔法尺寸納米團(tuán)簇在原子和電子層面完全相同，這使得相鄰納米團(tuán)簇之間的波函數(shù)能夠更大程度地重疊和耦合。同時，半導(dǎo)體魔法尺寸簇的帶隙、成分和尺寸均可合成定制，以實(shí)現(xiàn)對一系列波長的手性響應(yīng)。

    在制備過程中，研究人員利用彎月面引導(dǎo)蒸發(fā)技術(shù)，將線性納米團(tuán)簇組件扭轉(zhuǎn)成螺旋鏈，進(jìn)而形成幾平方毫米大小的同手性域。通過巧妙控制蒸發(fā)幾何形狀，實(shí)現(xiàn)了多種不同形狀和大小的域，且能在左手性和右手性之間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。羅賓遜教授表示：“我們發(fā)現(xiàn)，通過精細(xì)控制薄膜的干燥幾何形狀，就能有效控制其結(jié)構(gòu)和手性，這為將有機(jī)材料中的特性引入無機(jī)世界提供了難得的機(jī)遇。”

    通過彎月面引導(dǎo)沉積技術(shù)獲得的手性薄膜，展現(xiàn)出異常強(qiáng)烈的光物質(zhì)響應(yīng)，比此前報道的無機(jī)半導(dǎo)體材料記錄值高出近兩個數(shù)量級。滴鑄薄膜的G因子（衡量系統(tǒng)手性程度的各向異性因子）高達(dá)1.30，圖案化薄膜的G因子也達(dá)到1.06，已接近理論極限。

    RIT教授史蒂夫·溫斯坦（SteveWeinstein）構(gòu)建了一套理論框架，成功解釋了團(tuán)隊(duì)觀察到的納米團(tuán)簇纖維沉積模式，讓團(tuán)隊(duì)深入認(rèn)識到實(shí)現(xiàn)手性薄膜的關(guān)鍵機(jī)制，包括促使纖維扭曲的流體流動。溫斯坦教授指出：“我們的研究全面考察了大面積薄膜的形成及其背后的機(jī)制，最終獲得了迄今為止無機(jī)材料中最高的手性信號。這種蒸發(fā)驅(qū)動技術(shù)不僅能夠誘導(dǎo)納米級纖維扭曲，還能通過控制流動參數(shù)靈活調(diào)整其手性特性。”

    使用三種不同的半導(dǎo)體納米團(tuán)簇系統(tǒng)，充分展示了該方法的廣泛適用性，表明它還可應(yīng)用于其他納米團(tuán)簇物種或膠體納米片。研究員托馬斯·烏格拉斯（ThomasUgras）興奮地表示：“我對這種方法的多功能性深感振奮，它適用于不同的納米團(tuán)簇成分，使我們能夠定制薄膜，實(shí)現(xiàn)與從紫外線到紅外線的光相互作用。組裝技術(shù)不僅賦予納米團(tuán)簇纖維手性，還使其在沉積時呈現(xiàn)線性排列，讓薄膜對圓偏振光和線性偏振光都敏感，大大增強(qiáng)了其作為超材料類光學(xué)傳感器的功能。”

    這種由非手性、可溶液加工的半導(dǎo)體形成手性薄膜的技術(shù)，為設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的手性光學(xué)材料提供了新途徑，此類材料兼具可擴(kuò)展性和多功能性。它們在全息顯示器、量子計(jì)算、超低功耗設(shè)備和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。例如，手性納米材料有望集成到可穿戴傳感器中，通過檢測葡萄糖旋轉(zhuǎn)偏振光的方式，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、高靈敏度的血糖監(jiān)測，為糖尿病患者帶來福音。

    此外，這項(xiàng)研究不僅在納米團(tuán)簇薄膜領(lǐng)域取得突破，還為深入理解天然手性結(jié)構(gòu)（如DNA）提供了新視角，為將該技術(shù)拓展到其他手性分子和納米材料，設(shè)計(jì)新型扭曲結(jié)構(gòu)開辟了道路。

    該團(tuán)隊(duì)未來的工作將聚焦于將該技術(shù)推廣至納米片和量子點(diǎn)等其他材料，并進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)，使其能夠應(yīng)用于半導(dǎo)體薄膜涂覆設(shè)備的工業(yè)規(guī)模制造工藝。羅賓遜教授最后說道：“我們希望深入探究簇大小、成分、方向和接近度等因素對手性行為的影響。這是一門復(fù)雜的科學(xué)，但通過三種不同的材料系統(tǒng)展示這一成果，讓我們看到了廣闊的探索空間，為研究和應(yīng)用打開了全新的大門。”