手性分子的应用：手性钙钛矿及其衍生材料的化学性质

《ACS Energy Letters》：Chiral Molecules in Action: Chemistry of Chiral Perovskite and Perovskite-Inspired Materials

手性金属卤化物在光电子和自旋电子学中展现出独特优势，其合成依赖于配体诱导的手性策略，形成0D-3D不同维度的晶体结构。研究揭示了手性配体与无机骨架的协同作用机制，如MBA配体诱导的二维层状结构具有高自旋过滤效率（达94%），而0D结构则表现出显著的圆偏振吸收（CD）和发光（CPL）。先进X射线散射技术证实了薄膜中晶格取向的调控，而纳米晶通过表面配体修饰或模板自组装实现手性。当前挑战包括3D结构的可控合成及稳定性提升，以及开发高效手性LED器件。

　　近年来，手性金属卤化物在材料科学领域引起了广泛关注，其独特的结构不对称性为实现自旋选择性传输和偏振光相互作用提供了新的可能性。这种材料特性不仅为光电子和自旋电子器件的发展开辟了新的方向，也推动了对新型功能材料的探索。手性金属卤化物的核心特征在于其晶体结构的不对称性，这种不对称性通常来源于手性配体的引入。通过将手性分子嵌入金属卤化物晶格或其纳米晶（NCs）表面，可以有效赋予材料手性特征，从而实现手性相关的光学和电子性能。研究发现，手性分子的选择与金属卤化物的种类对材料的晶格结构和维度具有决定性影响，进而显著改变了其物理和化学性质。

手性材料的光学特性主要体现在其对圆偏振光（CPL）的响应上。圆偏振光是一种具有旋转电场的电磁波，其方向分为左旋（LCP）和右旋（RCP）。在手性材料中，由于缺乏镜像对称性，材料对LCP和RCP的吸收或发射能力存在差异，这种差异表现为圆二色性（CD）或圆偏振发光（CPL）。CD是手性材料的一个重要光学特征，它反映了材料对两种圆偏振光的吸收差异，而CPL则涉及材料在激发后对圆偏振光的发射特性。CD和CPL信号的强度通常与材料的维度相关，其中低维结构（如0D和1D）表现出更强的CD和CPL响应，这为手性材料在自旋电子学和光电子学中的应用提供了重要基础。

手性金属卤化物的合成策略主要包括两种：原位合成和后合成方法。原位合成是指在反应体系中直接引入手性配体，使它们在金属卤化物晶格中自发形成手性结构。这种方法通常用于制备单晶或薄膜材料，其优势在于能够直接调控材料的维度和手性。后合成方法则是通过在已有结构表面引入手性分子，从而诱导出手性特征。这种方法虽然能够实现对材料表面的修饰，但其效率通常低于原位合成，且需要额外的表面功能化步骤。在实际应用中，非共价相互作用（如氢键、静电相互作用和π-π堆积）在诱导和稳定手性方面发挥着关键作用。因此，研究如何优化这些相互作用，以实现更高效的手性诱导和结构控制，成为当前研究的重点。

手性金属卤化物的结构和性能之间的关系是理解其功能化应用的关键。不同的空间群决定了材料的对称性，进而影响其手性特征。根据晶体学分类，只有65种空间群属于Sohncke手性空间群，这些空间群缺乏镜像平面、倒置中心和旋转反射轴等非手性对称操作。在这些空间群中，某些具有螺旋对称性的空间群（如P212121）可以表现出显著的手性特征。此外，一些非手性空间群（如P41212和P43212）也能够通过引入手性分子形成手性结构，但它们的光学响应和自旋选择性行为通常不如手性空间群显著。因此，研究如何通过不同的手性配体选择和空间群调控，实现对材料性能的优化，成为进一步发展手性材料的重要方向。

手性金属卤化物的维度调控是其功能化应用的关键因素之一。0D、1D、2D和3D结构的手性金属卤化物分别展现出不同的物理和化学性质。0D结构通常由孤立的金属卤化物单元组成，这些单元被手性有机阳离子包围，因此缺乏与其他单元的共享连接。这种结构使得材料表现出较高的自旋选择性，同时在光电子学中展现出良好的光吸收和发射特性。1D结构则由金属卤化物单元沿某一晶格方向形成链状结构，其维度较高，但光学活性和自旋选择性相对较低。2D结构由金属卤化物层与手性有机分子层交替构成，其维度介于1D和3D之间，具有良好的光吸收和发射能力，同时也表现出较强的自旋选择性。3D结构则由金属卤化物单元在所有三个方向上形成连续网络，这种结构具有更高的稳定性，但其手性诱导仍然面临挑战，特别是在如何选择合适的有机配体以避免结构畸变和维度降低方面。

在实际应用中，手性金属卤化物展现出多种潜在功能。例如，手性2D结构被用于自旋发光二极管（spin-LEDs），能够实现自旋极化电流的传输和圆偏振光的发射。这些材料的自旋选择性源于“手性诱导自旋选择性”（CISS）效应，即在无磁性材料的情况下，通过手性晶格对电子自旋的传输产生影响。CISS效应使得材料能够在自旋电子学中发挥重要作用，特别是在自旋滤波器和自旋发射器的设计中。此外，手性金属卤化物在非线性光学、光检测、光子晶体和自旋太阳能电池等领域的应用也显示出巨大潜力。

在研究手性金属卤化物的过程中，人们发现其结构和性能之间的关系仍然不够清晰。尽管已有许多关于手性金属卤化物合成和性能的研究，但如何系统地理解其结构特征与手性光学效率之间的关系，仍然是一个重要的挑战。例如，某些手性材料在特定维度下表现出更高的CD和CPL响应，而另一些材料则在其他维度下表现更优。这种差异可能与材料的维度、空间群、金属卤化物种类以及手性配体的相互作用有关。因此，未来的研究需要进一步探索这些因素如何共同影响手性材料的性能，并通过精确的合成策略实现对这些特性的有效调控。

为了进一步提高手性材料的性能，研究人员正在探索多种方法。例如，使用高折射率材料（如TiO?）制备手性光子晶体表面，可以显著增强材料的CPL响应。此外，通过纳米结构模板（如螺旋聚合物纳米纤维、无机二氧化硅纳米螺旋和手性凝胶剂）引导纳米晶的自组装，可以实现更复杂的手性结构，从而提高材料的光学性能。这些方法在一定程度上克服了传统合成策略的局限性，使得手性材料在不同维度下表现出更优异的性能。然而，这些方法仍然面临一些挑战，如如何实现大规模合成、如何提高材料的稳定性，以及如何在实际应用中保持其手性特性。

在光电子学和自旋电子学领域，手性金属卤化物的潜力已经得到了初步验证。例如，手性2D结构已经被用于制备高效的圆偏振光检测器和光子晶体器件，这些器件在可见光范围内表现出显著的偏振选择性。同时，手性1D结构也被用于自旋滤波器，能够实现自旋极化电流的传输。此外，手性3D结构由于其良好的结构稳定性和较长的载流子扩散长度，被认为在高性能光电子和自旋电子器件中具有重要应用前景。然而，目前关于手性3D结构的研究仍然有限，主要由于其合成过程的复杂性和对特定手性配体的依赖性。

总的来说，手性金属卤化物的研究仍处于快速发展阶段，其在光电子学和自旋电子学中的应用前景广阔。然而，要实现其在实际设备中的广泛应用，还需要解决多个关键问题，包括如何提高材料的稳定性、如何优化合成方法以实现更精确的维度控制，以及如何进一步理解结构与性能之间的关系。未来的研究应更加注重材料设计的创新性和合成方法的多样化，以推动手性金属卤化物在新型光电子和自旋电子器件中的实际应用。此外，随着人工智能（AI）技术的发展，基于现有文献数据库训练AI模型，有望为手性材料的设计和性能优化提供新的思路和工具。