金属卤化物半导体有手性?

作者: 科研仔

来源: 洞察化学

发布日期: 2024-04-23 10:43:03

本文对手性金属卤化物半导体材料进行了介绍,探讨了其手性特性、设计策略及在光自旋电子学等领域的应用,强调了其在未来材料科学中的潜力。

手性是指物体与其镜像不能重合的现象,是描述分子不对称性质的术语。手性分子是化学结构上镜像对称而又不能完全重合的分子,如同人类的左右手一般,互为不能重叠的镜像关系,这样一对互为镜像关系的手性分子被称为对映异构体。手性是分子异构体的一种独特性质,这种特性在医学和生命科学、食品化学和药物制造方面起着至关重要的作用。

这是一个迷人的几何性质,吸引了化学家多年的注意力,这主要是因为对映体对在与其他手性物体相互作用时表现出独特的功能。许多对生命至关重要的生物分子以单一对映体的形式存在,也就是说,它们是同手性的。

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,在半导体中引入手性可以在没有磁性成分的情况下控制电荷、自旋以及光电子。手性半导体材料分为手性有机半导体以及手性无机半导体材料。

有机半导体分子是主要由C、H、O、N等基本元素构成的。C的原子序数为6,它的6个核外电子分别占据1s²、2s²和2p²原子轨道。通常将1s²轨道上容纳的2个电子与原子核一起视为原子实,不受附近其它原子实的影响。当C原子形成化合物时,原子实外围的4个电子分别占据2s、2p_x、2p_y、2p_z轨道,这些轨道及其不同的杂化影响着有机半导体材料的结构和性能。

我们知道,大量有机化合物的手性都来自于其不对称的C原子或C-H基团,根据其不对称的情况不同,手性分子构型可以划分为:中心手性分子、轴手性分子、平面手性分子、螺旋手性分子。

对于中心手性分子,杂化的C原子跟其他4个不同的原子或基团相互连接,让整体分子具有手性特征,中心的C原子为手性中心或不对称中心;对于轴手性分子,分子内存在一条手性轴,其他原子或基团环绕手性轴排布不是对称的,整个分子便具备手性特征;对于平面手性分子,则是存在一个分子对称面,其它基团的存在破坏了它的对称性,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轴,其构型是绕着一条固定轴螺旋盘升的分子链,沿盘升方向看时,根据螺旋的转动方向来区分S型和R型分子。

一般认为,有机分子的螺旋构型引起的手性相关的效应最显著。但与大量的手性有机分子库相比,手性无机体系并不常见,一些天然矿物,如石英是手性的,还有一些手性无机半导体,如HgS、Sn配合物和Te配合物,但相比于手性有机半导体材料,手性无机半导体则很少见。在下文中,主要对手性无机半导体领域研究中研究较热的手性金属卤化物半导体进行简要介绍。

手性金属卤化物半导体是结合了手性有机分子或离子配体和扩展无机半导体特性的有机-无机杂化材料。这种杂化材料具有无机亚晶格和有机亚晶格的特性,但也表现出由于无机和有机成分的独特相互作用而产生的迷人特性。这些手性有机分子与无机亚基单元的自组装为形成手性有机-无机杂化结构提供了有效的策略,这些杂化结构表现出单个组分所不具备的特性和功能。

有机分子通过与无机组分的相互作用将手性转移到杂化结构中,而无机亚基赋予其光电半导体特性。在各种有机-无机杂化结构中,手性金属卤化物半导体——包括但不限于钙钛矿结构的半导体——最近成为有前途和有趣的材料,用于控制光、自旋和电荷,并构建自旋依赖性光电子器件。

手性金属卤化物半导体的设计策略包括通过手性有机配体进行表面修饰、通过超分子组装实现的手性活性等。

手性金属卤化物半导体的应用主要集中在圆偏振光检测和光自旋电子学的应用,具有强手性,可用于制备CPL光电探测器和自旋电子元件。手性金属卤化物半导体特有的圆偏振发射自旋属性使其在自旋光伏器件以及自旋阀设备的构建中有着十足的应用潜力。该篇对手性材料这个庞大家族库中的一份子,即手性金属卤化物半导体材料进行了简单的总结,旨在向大众传播金属卤化物半导体的概念,推动该材料的进一步发展,使手性家族越来越辉煌。

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