——石蜡辅助浸入法为自旋电子学与量子计算开辟新路径

2025年2月25日，天津大学胡文平教授、雷圣宾教授、李奇峰教授及沈永涛副教授联合团队在国际顶级期刊《自然·材料》（Nature Materials）发表研究成果，宣布通过自主研发的“石蜡辅助浸入法”，成功制备出具有可控手性的石墨烯卷。这一技术突破为自旋电子器件、量子计算及光学设备的发展提供了关键材料基础，标志着我国在二维材料手性调控领域迈入国际领先行列。

技术突破：石蜡辅助浸入法实现手性精准调控

传统二维材料（如石墨烯）因缺乏手性特性，在自旋电子学应用中受到限制。研究团队针对这一难题，开发出“石蜡辅助浸入法”：通过将单晶石墨烯涂覆石蜡层并垂直浸入异丙醇溶剂中，利用表面张力与溶剂极性的协同作用，精确控制石墨烯的卷曲角度（范围达-30°至30°），形成左旋或右旋手性结构。这一方法不仅解决了传统卷曲技术中因沿锯齿边缘裂解导致的不稳定性问题，还能实现高产量制备，层间距稳定在0.34±0.02纳米，确保了材料的结构完整性。

性能优势：室温下自旋极化率超90%

实验结果显示，制备的手性石墨烯卷展现出显著的光学活性和自旋选择性效应：

1. 自旋极化率突破90%：在室温条件下，石墨烯卷通过曲率诱导的自旋-轨道耦合效应，实现电子沿卷曲侧的单向流动，自旋极化率远超传统碳纳米管，为高效自旋滤波器设计奠定基础。

2. 手性依赖的电子行为：原位磁导电原子力显微镜（MCP-AFM）测试表明，右手卷在特定磁化方向下电流显著增强，而左手卷则呈现相反特性。这种手性依赖的效应为磁随机存储器等自旋电子器件提供了新思路45。

3. 光学与结构稳定性：拉曼光谱和透射电镜（TEM）分析证实，石墨烯卷在卷曲过程中未破坏C=C键结构，且层间π-π堆积赋予其优异的机械和溶剂稳定性。

应用前景：从量子计算到自旋电子器件

该成果的潜在应用覆盖多个前沿领域：

• 自旋电子学：强自旋选择性效应可推动高效自旋阀、自旋逻辑器件的开发，提升信息处理速度和能效。

• 量子技术：手性卷曲结构引发的拓扑效应和量子行为，为量子比特设计与拓扑量子计算平台提供了新途径。

• 光学器件：显著的光学活性差异使手性石墨烯卷适用于偏振光调制器和手性传感器，拓展光电子学应用场景。

研究团队指出，该技术具有普适性，可推广至其他二维材料（如二硫化钼、氮化硼）的手性调控，为材料科学领域的多维度创新注入活力。

学术价值与产业化潜力

此项研究不仅填补了二维材料手性可控制备的空白，还揭示了曲率对自旋-轨道耦合的关键作用，为理论模型（如狄拉克费米子模型）提供了实验支撑45。产业化方面，石蜡辅助浸入法的低温加工特性（室温操作）与现有半导体工艺兼容，有望加速手性材料在柔性电子、能源存储等领域的应用落地。

团队与支持

天津大学为论文第一单位，研究得到国家自然科学基金及国家重点研发计划支持。团队已申请多项专利，并与国内外机构合作推进技术的中试转化。