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圆偏振光（CPL）在多领域意义重大，但传统 CPL 传感材料效率低、稳定性差。研究人员合成原子手性硒纳米棒（NRs）薄膜用于宽带 CPL 探测。该薄膜响应范围广、稳定性高，相关技术助力手性材料分析。这为手性光电器件发展开辟新路径。
在当今科技飞速发展的时代，量子计算、自旋光通信以及磁记录等领域对先进光学材料和器件的需求日益迫切。圆偏振光（CPL）作为一种具有独特光学特性的光，在这些前沿领域发挥着关键作用。然而，传统的 CPL 传感材料却如同前行路上的 “绊脚石”，其有限的效率和较低的稳定性严重制约了相关技术的广泛应用和进一步发展。就好比在一场重要的赛跑中，选手穿着不合适的鞋子，无法发挥出最佳水平。
为了突破这些困境，来自韩国科学技术院（KAIST）等机构的研究人员勇挑重担，开展了一项极具创新性的研究。他们将目光聚焦于原子手性硒纳米棒（NRs），致力于探索其在宽带 CPL 探测领域的巨大潜力。经过不懈努力，他们成功制备出具有特定原子晶体手性的硒纳米棒，并发现其薄膜能够在从紫外线（UV）到短波红外（SWIR）的宽广波段内高效探测 CPL，响应不对称因子高达 0.4 ，且在环境条件下能保持超过 13 个月的高稳定性。这一成果就像是为相关领域的发展注入了一针 “强心剂”，为手性光子突触、手性自旋器件以及 CPL 敏感光催化剂等应用带来了新的希望，也为手性光电器件的发展开辟了新的方向，该研究成果发表在《Nature Communications》上。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。结构分析方面，利用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察硒纳米棒的形貌，通过 X 射线衍射分析其晶体结构。为确定原子手性，采用原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）倾斜技术 ，同时运用入射圆偏振 - 拉曼光活性（ICP - ROA）光谱分析和二维（2D）ICP - ROA 映射技术，对纳米棒的手性进行表征和统计分析。此外，还通过制备硒纳米棒薄膜并构建 CPL 光电探测器，测量其光电流性能。
结构分析和生长机制
研究人员采用螺旋位错驱动的生长方法，在低过饱和度条件下，借助手性半胱氨酸（Cys）配体，成功合成了具有可控晶体手性的三角硒纳米晶体。TEM 和 SEM 分析显示，不同配体合成的硒纳米棒在尺寸上存在差异 。X 射线衍射分析证实其具有三角硒晶体结构。TEM 观察还发现硒纳米棒内部存在由螺旋位错形成的对比和空隙，这与手性分子在生长过程中的作用密切相关，且生长溶液的 pH 值对其有重要影响 。不过，通过 SEM 和 TEM 图像发现，L - Cys - Se 和 D - Cys - Se 纳米棒在形貌上并无显著差异，于是研究人员运用高分辨率 STEM 倾斜方法分析单个纳米棒的原子手性，结果表明该方法可用于确定硒纳米晶体的晶体手性 。
ICP - ROA 光谱分析
虽然高分辨率 STEM 分析准确，但存在仪器昂贵、测量要求高的缺点。为此，研究人员采用 ICP - ROA 技术评估手性硒纳米棒的内在手性。ICP - ROA 能够检测手性声子，通过揭示原子水平的长程相干振动和手性畸变来表征无机晶格中的手性 。从硒纳米棒的拉曼光谱中，可识别出不同的振动模式对应的拉曼位移峰。ICP - ROA 光谱显示，L - Cys - Se 和 D - Cys - Se 纳米棒的峰具有不同符号，表明其分别为左旋和右旋螺旋晶体结构 。定义 ROA 不对称性（圆强度差，CID，Δ）值后发现，L - Cys - Se 和 D - Cys - Se 的 Δ 值分别约为 0.1 和 - 0.1，远高于光学活性分子，这归因于无机晶体中单手性的高发生率。为研究硒纳米棒的对映体过量比，研究人员采用 2D 微尺度 ICP - ROA 映射方法 。
ICP - ROA 映射用于二维手性分析
研究人员在 L、D 和 DL - Cys - Se 纳米棒薄膜上的 50×50μm 区域内的 100 个点收集拉曼信号，并选择 237 cm?1的一阶拉曼位移峰绘制二维映射 。结果显示，L - Cys - Se 纳米棒的对映体过量（ee）约为 50%，D - Cys - Se 纳米棒为 - 44%，而 DL - Cys - Se 纳米棒的 ee 值极小，接近外消旋状态 。这表明 2D ICP - ROA 映射技术可有效监测手性纳米晶体的数量比，确定手性纳米棒的手性 。
手性光学活性源于内在手性结构
手性晶体具有手性电荷密度波，导致手性电子能带结构，因此具有手性原子排列的材料在电子跃迁时会表现出光学活性 。硒纳米棒因其内在原子手性，在从可见光到红外光的带间和带内跃迁中有望展现宽带光学活性 。研究人员在从 UV 到 2500nm 的宽波长范围内对手性硒纳米棒进行手性光学分析，发现 L、D 和 DL - Cys - Se 纳米棒在 180 - 2500nm 有宽吸收峰，L 和 D - Cys - Se 纳米棒在该范围内具有宽光学活性，且 CD 光谱互为镜像，而 DL - Cys - Se 纳米棒无光学活性 。CD 光谱中的不同峰可归因于量子限制、固有带隙、带间跃迁以及缺陷态等因素 。此外，硒纳米棒在 UV 到 SWIR 区域的手性光学活性显著，吸收不对称因子（gCD）值高达 0.008 。
硒纳米棒薄膜作为宽带圆偏振光光电探测器
基于三角硒的半导体特性和宽带手性光学活性，研究人员制备了以硒纳米棒薄膜为活性层的 CPL 光电探测器 。该探测器在 488nm 光照下能产生稳定电流，响应和复位时间均在 1s 以内 。当用不同偏振态的光照射时，探测器的 I - V 曲线斜率会发生变化，对 LCP 光的响应更强烈 。光电流与光的椭圆度和强度相关，在不同波长下，L 和 D - Cys - Se 光电探测器的光响应率在 5 - 30mA/W 之间，且随波长和光的手性而变化 。通过计算各向异性因子（gres）发现，在 850nm 处gres值高达～0.4 ，表明硒纳米棒薄膜可作为具有高分辨能力的宽带 CPL 光电探测器 。此外，该探测器在环境条件下放置 13 个月后，性能无明显下降，稳定性高 。
综上所述，研究人员成功开发出一种对映选择性合成方法，制备出具有可控原子晶体手性的硒纳米棒 。2D ICP - ROA 映射技术为统计探测手性材料的对映体过量比提供了通用工具 。原子手性硒纳米棒在从 UV 到 SWIR 的宽波长范围内表现出强手性光学活性 。基于硒纳米棒的 CPL 光电探测器在选定波长范围内具有有效的光响应，gres值高且稳定性强 。这一研究成果为安全、量子信息与通信、生物医学等领域带来了新的应用可能，如在安全领域可检测和对抗隐身技术，在生物医学领域可用于多光谱成像辅助疾病诊断等 ，也为低功耗自旋电子学、量子信息和光催化等需要材料固有手性的领域提供了新的技术支持，推动了相关领域的发展。
