近年来, 手性II-VI族半导体纳米晶体因其独特的光电性能和手性诱导电子自旋选择性特点而受到广泛关注. 手性是一种对称性破缺现象, 可通过以下几种方式诱导纳米晶体的手性: (1) 连接手性配体; (2) 形成手性晶格; (3) 形成手性形貌; (4) 手性组装排列; (5) 多级手性及手性放大. 在手性诱导过程中, 由于更小尺寸的纳米晶体——量子点的量子限域效应, 其物理化学性质可随尺寸、形貌、组成和晶型进行调控, 可以使其在紫外-可见-近红外光区域内表现出手性消光和圆偏振发光等特性. 此外, 几何参数如形状各向异性、晶格失配和表面不对称性在调节手性纳米结构的手性响应中也扮演着关键角色. 因此, II-VI族手性半导体纳米材料在纳米光子学应用中的根本挑战是对纳米尺度的立体合成的完全控制, 并从实验和理论两方面阐明不同维度手性的发生机制. 本综述介绍了过去十几年来手性半导体纳米晶体, 从控制合成到手性起源探索和潜在应用方面的最新研究进展, 并提出了新的材料合成策略和理论改进论点, 为新兴的跨学科领域如圆偏振发光、自旋电子学和基于手性的医疗诊断纳米器件应用等提供新思路.
近年来, 手性在无机纳米化学领域因其独特的光电性能而受到广泛的关注. 手性涉及材料的对称性, 这种对称性的差异对于材料的物理化学性质有着深远的影响. 无机半导体纳米粒子, 尤其是II-VI族半导体纳米晶体, 表现出显著的量子限域效应, 其物理化学性质主要受尺寸、形貌、晶型、组分、排列及表面配体的影响, 这类纳米晶体光谱响应范围可以覆盖整个可见光范围, 在太阳能电池、显示照明、生物医疗等领域具有广泛的应用前景.
通过对半导体纳米晶体的非对称性设计和合成, 可赋予其手性光学活性如圆二色性(CD)和圆偏振发光(CPL), 以及手性诱导电子自旋选择性(CISS)等. 这些特性主要体现在对光、电、磁、力、热等物理场的响应, 以及通过化学键相互作用形成的化学响应性. 因此, 手性半导体纳米晶体在三维显示、信息防伪加密、自旋电子器件、不对称催化合成、生物成像及医疗、多铁性材料等领域展现出巨大的应用潜力.
半导体纳米晶体的手性来源多样, 包括晶体表面配位手性配体、手性晶格、手性形貌、手性排列分布、多级手性及手性传递放大等. 不同的合成策略及手性来源, 材料表现出不同的光学活性及应用场景. 本文着重介绍了手性II-VI族半导体纳米晶体的合成策略、不同参数调节下的CD和CPL性能、诱导光学手性的机理以及基于手性的应用方面的最新进展, 并对该领域存在的问题进行了分析, 对合成策略与理论发展进行了建议和展望. 本文第二节主要介绍了手性物质的光学活性以及手性诱导自旋选择性特点. 本文第三节主要介绍了手性半导体纳米晶体的研究现状, 分别阐述了手性配体诱导、手性晶格、手性形貌、手性排列、多层级手性及手性传递放大, 并对其手性诱导机理进行分析. 第四节简要总结这一研究领域的应用和潜在前景, 以及迄今面临的主要挑战.
本文收录于2024年第8期“手性发光材料专刊”.
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刘培朝, 张怀芳, 周宾倩, 曹涛, 陈威, 李以文*, 郝俊杰*, 潘瑞琨*, 程佳吉*. II-VI族半导体纳米晶体的手性研究前沿. 中国科学:化学, 2024, 54(8): 1337-1351
