重大突破！科学家成功为无机半导体引入手性，开启光子技术新篇章

    2025年2月4日，康奈尔大学、罗彻斯特理工学院（RIT）以及几所欧洲机构的研究人员携手合作，取得一项突破性成果。他们研发出一种强大且可扩展的方法，成功将手性引入半导体能带结构，这一创举有望极大地推动光子技术的发展。

    手性材料在光、自旋和电荷控制方面具有独特优势，对于依赖光偏振控制的光子技术，如显示器、传感器和光通信等领域意义重大。以往，手性材料多由有机分子通过激子耦合产生，而从无机半导体中制造手性材料却困难重重，因为精确控制纳米材料间的相互作用极具挑战。

    研究团队另辟蹊径，通过蒸发沉积工艺，从三种不同的无机半导体纳米团簇——硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）和碲化镉（CdTe）中成功形成手性薄膜。这些薄膜均展现出圆二色性，这是手性的关键特征。康奈尔大学教授理查德·罗宾逊（RichardD.Robinson）解释道：“圆二色性意味着材料对左旋和右旋圆偏振光的吸收存在差异，如同螺纹决定物体的扭曲方向。”

    研究人员采用高度浓缩的非对称半导体魔法尺寸纳米团簇溶液，使其通过受控干燥的弯月面前端。这些魔法尺寸纳米团簇在原子和电子层面完全相同，这使得相邻纳米团簇之间的波函数能够更大程度地重叠和耦合。同时，半导体魔法尺寸簇的带隙、成分和尺寸均可合成定制，以实现对一系列波长的手性响应。

    在制备过程中，研究人员利用弯月面引导蒸发技术，将线性纳米团簇组件扭转成螺旋链，进而形成几平方毫米大小的同手性域。通过巧妙控制蒸发几何形状，实现了多种不同形状和大小的域，且能在左手性和右手性之间平稳转换。罗宾逊教授表示：“我们发现，通过精细控制薄膜的干燥几何形状，就能有效控制其结构和手性，这为将有机材料中的特性引入无机世界提供了难得的机遇。”

    通过弯月面引导沉积技术获得的手性薄膜，展现出异常强烈的光物质响应，比此前报道的无机半导体材料记录值高出近两个数量级。滴铸薄膜的G因子（衡量系统手性程度的各向异性因子）高达1.30，图案化薄膜的G因子也达到1.06，已接近理论极限。

    RIT教授史蒂夫·温斯坦（SteveWeinstein）构建了一套理论框架，成功解释了团队观察到的纳米团簇纤维沉积模式，让团队深入认识到实现手性薄膜的关键机制，包括促使纤维扭曲的流体流动。温斯坦教授指出：“我们的研究全面考察了大面积薄膜的形成及其背后的机制，最终获得了迄今为止无机材料中最高的手性信号。这种蒸发驱动技术不仅能够诱导纳米级纤维扭曲，还能通过控制流动参数灵活调整其手性特性。”

    使用三种不同的半导体纳米团簇系统，充分展示了该方法的广泛适用性，表明它还可应用于其他纳米团簇物种或胶体纳米片。研究员托马斯·乌格拉斯（ThomasUgras）兴奋地表示：“我对这种方法的多功能性深感振奋，它适用于不同的纳米团簇成分，使我们能够定制薄膜，实现与从紫外线到红外线的光相互作用。组装技术不仅赋予纳米团簇纤维手性，还使其在沉积时呈现线性排列，让薄膜对圆偏振光和线性偏振光都敏感，大大增强了其作为超材料类光学传感器的功能。”

    这种由非手性、可溶液加工的半导体形成手性薄膜的技术，为设计和制造复杂的手性光学材料提供了新途径，此类材料兼具可扩展性和多功能性。它们在全息显示器、量子计算、超低功耗设备和医疗诊断等领域有着广阔的应用前景。例如，手性纳米材料有望集成到可穿戴传感器中，通过检测葡萄糖旋转偏振光的方式，实现无创、高灵敏度的血糖监测，为糖尿病患者带来福音。

    此外，这项研究不仅在纳米团簇薄膜领域取得突破，还为深入理解天然手性结构（如DNA）提供了新视角，为将该技术拓展到其他手性分子和纳米材料，设计新型扭曲结构开辟了道路。

    该团队未来的工作将聚焦于将该技术推广至纳米片和量子点等其他材料，并进一步优化技术，使其能够应用于半导体薄膜涂覆设备的工业规模制造工艺。罗宾逊教授最后说道：“我们希望深入探究簇大小、成分、方向和接近度等因素对手性行为的影响。这是一门复杂的科学，但通过三种不同的材料系统展示这一成果，让我们看到了广阔的探索空间，为研究和应用打开了全新的大门。”