手性是指物體與其鏡像不能重合的現象，是描述分子不對稱性質的術語。手性分子是化學結構上鏡像對稱而又不能完全重合的分子，如同人類的左右手一般，互為不能重疊的鏡像關系，這樣一對互為鏡像關系的手性分子被稱為對映異構體，見圖1。手性是分子異構體的一種獨特性質，這種特性在醫學和生命科學、食品化學和藥物制造方面起着至關重要的作用。這是一個迷人的幾何性質，吸引了化學家170多年的注意力，這主要是因為對映體對在與其他手性物體互相作用時表現出獨特的功能。許多對生命至關重要的生物分子以單一對映體的形式存在，也就是說，它們是同手性的。
圖1 手性分子結構示意圖（圖源于搜狗）
半導體（semiconductor）指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，在半導體中引入手性可以在沒有磁性成分的情況下控制電荷、自旋以及光電子。手性半導體材料分為手性有機半導體以及手性無機半導體材料。
有機半導體分子是主要由C、H、O、N等基本元素構成的。C的原子序數為6，它的6個核外電子分别占據1s、2s和2p原子軌道。通常将1s軌道上容納的２個電子與原子核一起視為原子實，不受附近其它原子實的影響。當C原子形成化合物時，原子實外圍的4個電子分别占據2s、2p、2p、2p軌道，這些軌道及其不同的雜化影響着有機半導體材料的結構和性能。
我們知道，大量有機化合物的手性都來自于其不對稱的C原子或C-H基團，根據其不對稱的情況不同，手性分子構型可以劃分為：中心手性分子、軸手性分子、平面手性分子、螺旋手性分子。對于中心手性分子，雜化的C原子跟其他4個不同的原子或基團互相連接配接，讓整體分子具有手性特征，中心的C原子為手性中心或不對稱中心；對于軸手性分子，分子記憶體在一條手性軸，其他原子或基團環繞手性軸排布不是對稱的，整個分子便具備手性特征，對于平面手性分子，則是存在一個分子對稱面，其它基團的存在破壞了它的對稱性，使得分子具有手性；特别的，螺旋手性分子既不存在手心中心也不存在手性軸，其構型是繞着一條固定軸螺旋盤升的分子鍊，沿盤升方向看時，根據螺旋的轉動方向來區分S-型和R-型分子。
一般認為，有機分子的螺旋構型引起的手性相關的效應最顯著。但與大量的手性有機分子庫相比，手性無機體系并不常見，一些天然礦物，如石英是手性的，還有一些手性無機半導體，如HgS、Sn配合物和Te配合物，但相比于手性有機半導體材料，手性無機半導體則很少見。在下文中，主要對手性無機半導體領域研究中研究較熱的手性金屬鹵化物半導體進行簡要介紹。
01手性金屬鹵化物半導體動車檢驗标志電子化
鹵化物是含有氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)鹵族元素（簡稱鹵素）呈負價的化合物。值得注意的是，許多金屬都能形成鹵化物，它們包括堿金屬、堿土金屬以及镧系、锕系元素的鹵化物等。
簡單來講，手性金屬鹵化物半導體是結合了手性有機分子或離子配體和擴充無機半導體特性的有機-無機雜化材料。這種雜化材料具有無機亞晶格和有機亞晶格的特性，但也表現出由于無機和有機成分的獨特互相作用而産生的迷人特性。這些手性有機分子與無機亞基單元的自組裝為形成手性有機-無機雜化結構提供了有效的政策，這些雜化結構表現出單個組分所不具備的特性和功能。有機分子通過與無機組分的互相作用将手性轉移到雜化結構中，而無機亞基賦予其光電半導體特性。在各種有機-無機雜化結構中，手性金屬鹵化物半導體——包括但不限于鈣钛礦結構的半導體—最近成為有前途和有趣的材料，用于控制光、自旋和電荷，并建構自旋依賴性光電子器件。
圖2 手性金屬鹵化物結構概況圖
1.1手性金屬鹵化物半導體的設計政策
從金屬鹵化物半導體材料的手性建構來講，第一種方法是金屬鹵化物半導體材料的結構靈活性和多樣性允許将多種類型的手性陽離子有機配體直接插到金屬鹵化物半導體的晶格中，進而導緻晶體結構的變形、扭曲或螺旋排列。是以，陽離子有機配體的分子手性可以轉移到金屬鹵化物組分的晶體結構中，并且誘導手性通常比手性量子點和手性金屬納米粒子強。
建構手性金屬鹵化物半導體的第二種方法是通過手性有機配體進行表面修飾。通常，手性金屬鹵化物半導體可以通過反應中存在的手性有機配體直接修飾合成，也可以通過與手性有機配體的合成後配體交換反應制備。例如Chen等人使用手性α-辛胺修飾CsPbBr納米晶，實作基于雙光子吸收的上轉換圓偏振光發射。他們将CsPbBr納米晶的手性活性歸因于手性封端配體引起的表面晶格畸變。
建構手性金屬鹵化物半導體的第三種政策是通過超分子組裝實作的，簡單來講，金屬鹵化物半導體還可以通過與手性媒體進行超分子組裝獲得手性活性。例如，Shi等人将非手性全無機CsPbX半導體納米晶（X=Cl，Br，I）與N,N’-雙(十八烷基)-L-谷氨酸二酰胺（LGAm）或其D-構型對映體（DGAm）為主要成分的手性有機凝膠劑在非極性溶劑中混合，賦予了半導體納米晶圓偏振發射特性，手性轉移歸因于CsPbX半導體納米晶沿着手性元件的有序超分子組裝。
1.2 手性金屬鹵化物半導體的應用
迄今為止，手性金屬鹵化物半導體的家族已經迅速擴充，并主要被研究用于圓偏振光檢測和光自旋電子學的應用。
1.2.1光自旋電子學
光自旋電子學應用中的正常光學探測器需要半導體與光學偏振器耦合，以檢測圓偏振光（CPL），這通常限制了它們的靈敏度和分辨率。在CPL探測器中，直接CPL檢測需要有效地将圓二色（CD）特征轉換為足夠大的電信号，并放大手性CPL之間（各向異性因子）的差別。是以，高性能CPL光電探測器需要高光電流幅值、大的光響應度以及低的工作電壓。一種可能的解決方案是使用一種手性材料，這種材料可以本質上區分圓偏振光。手性金屬鹵化物半導體成為制造圓偏振光光電探測器的候選材料。手性低維手性金屬鹵化物半導體具有強手性，可用于制備CPL光電探測器，包括許多二維一維材料，例如：2D R-α-(PEA)PbI、2D (R-Br-PEA) 2PbI、1D (R-/S-α-PEA)PbI、和1D (S-NEA)PbI。例如，Ma等人基于hBN/(R-/S-MBA)PbI/MoS異質結構建構了CPL光電探測器，其光響應度和比探測率分别可達450 Ma W和2.2 × 10Jones。
其他金屬基手性金屬鹵化物半導體如0D（零維）(MBA)CuCl也被報道在由(MBA)CuCl和單壁碳納米管（SWCNT）組成的異質結構中制備CPL光電探測器。手性0D (MBA)CuCl中被左/右旋CPL激發的電子可以迅速轉移到SWCNT層，進而提供了優越的依賴極化的光響應性。所得CPL光電探測器具有452 A W的高光響應度，高達0.21的大各向異性因子，0.01 V的低工作電壓。
圖3 手性過渡金屬鹵化物圓偏振發光材料示意圖（圖源于新浪網）
1.2.2自旋電子元件
手性金屬鹵化物半導體特有的圓偏振發射自旋屬性使其在在自旋光伏器件以及自旋閥裝置的建構中有着十足的應用潛力。将自旋屬性引入半導體器件中，用電子電荷和自旋共同作為資訊的載體，進而建構電子自旋器件。例如，Vardeny和同僚報道了基于手性2D (R-/S-MBA)PbI的自旋依賴光伏器件。
他們觀察到，在左旋CPL和右旋CPL光照下，光伏器件的光電流相差約10%，這歸因于手性誘導自旋選擇性效應。相比之下，非手性(rac-MBA)PbI基光伏器件沒有觀察到光螺旋度依賴的光伏響應。此外，光電測量表明，手性誘導的圓形光電效應源于發生在這些化合物電子帶中的自旋極化分裂。Lu等人以手性(MBA)PbI膜作為鐵磁電極(NiFe)和非磁性電極（氧化铟錫（ITO））之間的夾層，以幾何結構ITO/(R-或S-MBAPbI/NiFe/Au)制造了自旋閥。研究人員在10K下的磁阻測量表明，基于具有相反手性的MHS層的器件證明了手性誘導自旋選擇性實作的自旋濾波效應。
有趣的是，磁阻表現出對膜厚度的弱依賴性，這與傳統自旋閥器件不同，對于傳統自旋閥，最大磁阻響應通常随厚度呈指數下降。弱厚度依賴性歸因于兩個競争過程之間的平衡：手性誘導自旋選擇性效應導緻的自旋濾波過程（随厚度增加）和較厚膜中自旋散射導緻的自旋弛豫過程。是以，手性誘導自旋選擇性效應為制造具有潛在獨特器件實體特性的手性金屬鹵化物半導體自旋閥器件提供了一種新的政策。
02總結
該篇對手性材料這個龐大家族庫中的一份子，即手性金屬鹵化物半導體材料進行了簡單的總結，我們從它的建構政策出發，依據最基本的性質對它們的潛在應用進行了簡單闡述，特别是自旋電子學領域的應用，該篇旨在向大衆傳播金屬鹵化物半導體的概念，推動該材料的進一步發展，使手性家族越來越輝煌。
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來源：洞察化學
編輯：藍多多
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