在非手性石墨烯和其他二维材料中创造手性由于其在先进光学、电子和自旋电子学中的潜在应用而引起了广泛的科学兴趣。然而，对其光学活性和相关手性的研究受到实验挑战的限制，特别是在对这些材料手性的精确控制方面。
天津大学胡文平、雷圣宾、李奇峰、沈永涛等人提出了一种通用的蜡助浸渍法制备手性角可控的石墨烯卷，该方法可推广到其他二维材料的高成品率制造中。在室温下，左旋和右旋卷具有良好的光学活性和自旋选择性，自旋极化率超过90%。在定制的卷形同素异形体中发现可调节的手性诱导自旋选择性，只有通过精确控制手性才能实现，这将其与其他碳材料或现有的手性材料区别开来。
狄拉克费米子模型表明，电子主要沿着手性卷的一侧运动，产生了优先的自旋极化，并且滚动手性诱导的自旋选择性是这种有限的自旋选择性效应的结果。本文提出的方法为赋予具有可调手性的非手性二维材料开辟了机会，并可能使量子行为和室温自旋电子技术的出现成为可能。
相关工作以《Graphene rolls with tunable chirality》为题在《Nature Materials》上发表论文。
图文导读
图1 手性石墨烯卷形成的示意图和统计分析
图1a显示了手性是如何在轧制石墨烯结构中出现的。将石墨烯沿扶手椅边缘（θ=30°）和之字形边缘（θ=0°）卷起来可以得到非手性结构，θ表示石墨烯卷的方向与之字形边缘之间的夹角。以0-30°或-30-0°的角度滚动可以产生手性结构，左手和右手手性石墨烯卷是光学不对称的对映体。石墨烯卷的手性角不仅决定了石墨烯卷的手性，还决定了石墨烯管结构的电子特性（图1c、d）。
为了克服有利的自发滚动，本文开发了一种蜡辅助浸入方法，以可控的手性角度滚动石墨烯，如图1b所示。在单晶石墨烯上旋转涂覆一层薄薄的蜡，然后转移到Si/SiO2衬底上。在操作上，用两种不同的程序进行准备。在“直接滚制”过程中，使用离散的单晶石墨烯。将蜡/石墨烯/硅样品以恒定速度垂直浸入异丙醇中，控制角度为之字形边缘与溶液表面的交角。当石墨烯与热溶剂沿不同角度接触时，由于控制角度上的表面张力，石墨烯将定向卷起。在“切卷”过程中，使用连续的单晶石墨烯。首先沿着硅的[100]轴切割蜡/石墨烯/硅，以创建平坦的石墨烯手性边缘，其中手性角由石墨烯之字形边缘和硅[100]轴决定。当将样品沿边缘浸入热的异丙醇溶液中时，石墨烯精确地与硅[100]边缘平行卷动（图1g）。这种切卷法能够精确地调整石墨烯的手性角度（图1h）。然而，尽管卷动角度的可控性较低，但直接卷动方法具有成品率高的优点，并且可以从光学图像中确定每个卷动的精确卷动角度（图1e、f）。因此，后一种方法更适合于与卷角相关的光学和电子研究。
图2 石墨烯卷的结构表征
光学显微镜图像显示了典型的非手性石墨烯卷（图2a）和角度为+7°和-10°的手性卷（图2b、c）（由于边缘未展开，可以很容易地识别卷角）。AFM和TEM表征（图2d、e、g）显示石墨烯卷具有均匀的管状结构，从轴向（图2f）和截面轮廓（图2h）的高分辨率TEM图像显示，石墨烯卷的壁为多层结构，层间距为0.34±0.02 nm（图2f、h）。因此，拓扑结构由薄壁和内部巨大的空心空间组成，统计平均径壁比为~50-80。横截面TEM图像进一步显示，该卷筒是由紧密缠绕在一起的石墨烯层构成的（图2h）。
图3 手性石墨烯卷的拉曼光谱和ROA光谱
图3a、b分别显示了一个石墨烯卷、石墨烯卷和单晶石墨烯的典型拉曼光谱。石墨烯和石墨烯卷的G峰（~1582 cm-1）没有明显差异，表明C=C键合结构在卷绕过程中几乎没有受到影响。2D峰（~2700 cm-1）在卷中展宽，半最大值时全宽从30 cm-1增加到35 cm-1。对数十个卷进行了测试，2D峰的半最大值全宽度范围为33至46 cm-1。此外，石墨烯卷的拉曼图（G、2D峰值强度比IG/I2D）（图3c-e）在20 μm长度内显示均匀的对比度，表明具有高质量的结构。从石墨烯到卷的转变过程中，G峰与2D峰的强度比振幅增加，说明了多个石墨烯层之间的相互作用（图3e），与TEM结果中显示的致密层间距一致。
此外，在~12°的手性角处，G峰被强烈增强（图3f）；在扭曲的双层石墨烯中也观察到类似的现象。如图3g、h所示，拉曼光学活性（ROAs）在12-18°附近也显示出增强的强度。因此，卷的光学活性强度可能与卷引起的自旋选择性有关，根据狄拉克费米子理论，在15°处发现了最大值。对数十个石墨烯卷进行了ROA测量，从G峰（sp2的E2g振动模式）中提取H因子，它们都符合手性角相关的负/正相规则（图3l）。图3i-k证明了ROA谱通过沿脊线和垂直于脊线的ROA线映射来识别卷动手性的能力。在卷材脊线上，所有光谱均表现出强而均匀的手性信号。然而，在垂直方向上，只观察到卷筒处的旋光性；石墨烯和Si/SiO2衬底都没有在ROA光谱中出现任何峰。
图4 半导体石墨烯卷的原位mCP-AFM测量和电子能带结构
本研究利用原位磁导探针原子力显微镜（mCP-AFM）研究了石墨烯卷材的微旋电子特性（图4a）。通过合并一个电磁级来实现自旋滤波效果的原位测量。在Au衬底上制备手性卷，在原位mCP-AFM测量过程中，AFM尖端被电磁铁级磁化，磁化方向不同（相对于衬底磁场向上或磁场向下）。然后在Au衬底上施加一个电位。在电子通过手性卷筒从基底转移到尖端的过程中，不同自旋极化载流子的电荷转移速率取决于卷筒中的螺旋势，而螺旋势会影响电导，因此可以通过自旋选择性磁原子力显微镜尖端检测到。
作者测量了不同磁化方向下不同手性卷的平均电流-电压（I-V）曲线（图4b-d），所有测量均在室温下进行。原位mCP-AFM测量的可靠性通过逐步扩增协议和统计平均方法来保证，以消除系统误差。对于右手卷，观察到当尖端在“上”方向磁化时，电流要比“下”方向磁化大得多（图4b）。对于左手卷，观察到相反的行为（图4c）。手性旋卷还允许研究手性H因子与自旋极化之间的依赖关系。研究发现，P与H因子的相关性逐渐增加并趋于饱和（图4d），并且不受偏置电压的明显影响。
在微观层面上，石墨烯卷中的电子表现得像在弯曲空间中运动的狄拉克费米子。利用量子场论分析，发现电子沿着手性滚转（图4e）的一侧运动不再遵循SU(2)简并，而是由于SOI与滚动曲率的相互作用（图4g）而发展出优先的自旋极化，这与实验观察结果一致。理论计算得出的P值约为20%（图4h），SOI强度（ΔSO）为15 meV，费米速度为106 m s-1。在装置中观察到的室温下滚动CISS的强度，即P值高于90%，意味着显著的SOI，远远高于裸碳原子的预期。
石墨烯卷中电子的单侧流动与广泛研究的碳纳米管有显著差异，对于碳纳米管，类似的实验装置驱动横向电流会产生沿两侧的电子流动（图4e）。具有相反手性的碳纳米管的电流不能产生自旋极化输运，没有CISS效应。这在对照实验中得到了证实，用碳纳米管取代了石墨烯卷（图4f）。其他手性碳材料，如具有扭曲角度的多层石墨烯，也不支持室温CISS效应，这进一步证明了手性石墨烯卷电子传递的单向特性的重要性。
文献信息Graphene rolls with tunable chirality，Nature Materials，2025.
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02127-8
