——石蠟輔助浸入法為自旋電子學與量子計算開辟新路徑

2025年2月25日，天津大學胡文平教授、雷圣賓教授、李奇峰教授及沈永濤副教授聯合團隊在國際頂級期刊《自然·材料》（Nature Materials）發表研究成果，宣布通過自主研發的“石蠟輔助浸入法”，成功制備出具有可控手性的石墨烯卷。這一技術突破為自旋電子器件、量子計算及光學設備的發展提供了關鍵材料基礎，標志著我國在二維材料手性調控領域邁入國際領先行列。

技術突破：石蠟輔助浸入法實現手性精準調控

傳統二維材料（如石墨烯）因缺乏手性特性，在自旋電子學應用中受到限制。研究團隊針對這一難題，開發出“石蠟輔助浸入法”：通過將單晶石墨烯涂覆石蠟層并垂直浸入異丙醇溶劑中，利用表面張力與溶劑極性的協同作用，精確控制石墨烯的卷曲角度（范圍達-30°至30°），形成左旋或右旋手性結構。這一方法不僅解決了傳統卷曲技術中因沿鋸齒邊緣裂解導致的不穩定性問題，還能實現高產量制備，層間距穩定在0.34±0.02納米，確保了材料的結構完整性。

性能優勢：室溫下自旋極化率超90%

實驗結果顯示，制備的手性石墨烯卷展現出顯著的光學活性和自旋選擇性效應：

1. 自旋極化率突破90%：在室溫條件下，石墨烯卷通過曲率誘導的自旋-軌道耦合效應，實現電子沿卷曲側的單向流動，自旋極化率遠超傳統碳納米管，為高效自旋濾波器設計奠定基礎。

2. 手性依賴的電子行為：原位磁導電原子力顯微鏡（MCP-AFM）測試表明，右手卷在特定磁化方向下電流顯著增強，而左手卷則呈現相反特性。這種手性依賴的效應為磁隨機存儲器等自旋電子器件提供了新思路45。

3. 光學與結構穩定性：拉曼光譜和透射電鏡（TEM）分析證實，石墨烯卷在卷曲過程中未破壞C=C鍵結構，且層間π-π堆積賦予其優異的機械和溶劑穩定性。

應用前景：從量子計算到自旋電子器件

該成果的潛在應用覆蓋多個前沿領域：

• 自旋電子學：強自旋選擇性效應可推動高效自旋閥、自旋邏輯器件的開發，提升信息處理速度和能效。

• 量子技術：手性卷曲結構引發的拓撲效應和量子行為，為量子比特設計與拓撲量子計算平臺提供了新途徑。

• 光學器件：顯著的光學活性差異使手性石墨烯卷適用于偏振光調制器和手性傳感器，拓展光電子學應用場景。

研究團隊指出，該技術具有普適性，可推廣至其他二維材料（如二硫化鉬、氮化硼）的手性調控，為材料科學領域的多維度創新注入活力。

學術價值與產業化潛力

此項研究不僅填補了二維材料手性可控制備的空白，還揭示了曲率對自旋-軌道耦合的關鍵作用，為理論模型（如狄拉克費米子模型）提供了實驗支撐45。產業化方面，石蠟輔助浸入法的低溫加工特性（室溫操作）與現有半導體工藝兼容，有望加速手性材料在柔性電子、能源存儲等領域的應用落地。

團隊與支持

天津大學為論文第一單位，研究得到國家自然科學基金及國家重點研發計劃支持。團隊已申請多項專利，并與國內外機構合作推進技術的中試轉化。