Nat. Nanotechnol.：磁光纳米异质结构实现手性光学活性

来源：纳米人

原标题：俞书宏/唐智勇/Sargent课题组Nat. Nanotechnol.：磁光纳米异质结构实现手性光学活性

第一作者：Tao-Tao Zhuang,Yi Li, Xiaoqing Gao

研究亮点：

1. 发展了一种普适的“双缓冲层设计”策略实现定点选择性构筑磁性-半导体复合异质结构。

2. 利用局域磁场调控电偶极矩与磁偶极矩之间的相互作用，实现这类新型磁光纳米材料的手性光学活性。

手性

手性一词是指一个物体不能与其镜像相重合。手性广泛存在于自然界中，自19世纪初发现手性光学活性以来，手性材料得到了不断的发展，他们在推动生物标记、手性分析和检测、对映异构体选择性分离、偏振相关光子学和光电子学等方面的发展具有重要意义。此外，生命体中还存在非常有趣的单一手性现象，例如几乎所有的氨基酸都呈左旋特征，而所有的核酸、淀粉等多糖都是右旋的，因此开发手性材料对理解生命起源问题也至关重要。

传统手性纳米材料构筑

目前，传统手性纳米材料主要是通过引入手性配体或构造螺旋结构等电偶极矩调控方式构筑，但这类手性材料通常会表现出一定的环境不稳定性，在光照、加热或恶劣的化学环境下手性会减弱甚至消失。此外，这些手性材料由于引入了长链手性分子作为表面配体，导致导电性较差，并阻碍手性材料与其表面反应物或电极材料之间的电荷转移过程，极大地限制了其实际应用。探索新的调控机制并构筑新型手性纳米功能材料是突破这一科学瓶颈的有效途径。 

成果简介

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队与国家纳米科学中心唐智勇研究员课题组、多伦多大学Edward Sargent教授课题组开展合作，通过可控构筑一类新型磁光半导体异质结构实现了磁诱导手性光学活性。他们通过在一维纳米结构单元中定点选择性复合磁性材料，利用其局域磁场调制电偶极矩与磁偶极矩之间的相互作用，成功合成了一类新型手性无机纳米材料。 

要点1：合成挑战

构建此类磁光手性纳米异质结构的前提是在特定位置引入局域磁场，因而需要实现磁性单元的位点选择性生长。一维硫属化合物半导体纳米棒的几何各向异性高、沿纳米棒轴向电偶极矩大、组成和尺寸可调性强、以及在催化、光子学和电子学等领域的应用前景广泛，因而可作为构筑这类磁光异质结构的理想主体材料之一。然而，这种主体材料和次生长的磁性材料之间的晶格和化学错配度一般较高，难以实现二者的外延生长和更加复杂的位点选择性生长。 

要点2：“双缓冲层设计”合成策略

俞书宏院士团队长期开展无机纳米材料的合成方法学研究，在胶体纳米晶成核生长方面积累了丰富经验。研究人员基于材料间浸润度与异质成核生长的相互关系（图1a-c），提出了一种“双缓冲层设计”合成策略（图1d），通过次序引入中间缓冲层改变材料间的界面能差异，从而解决了传统半导体材料与磁性材料间的晶格和化学失配问题，巧妙地实现了磁性材料在不同半导体特定位置的选择性生长。

图1. 一维纳米棒的位点选择性磁化。（a-c）异质成核生长与两种材料间接触角的关系总结。（d）“双缓冲层”策略实现磁性组分在纳米棒端点的选择性生长。 

他们以具有紫外-可见吸收特性的一维ZnxCd1-xS (0≤x≤1)半导体纳米棒为例，通过在纳米棒的顶点处集成Ag2S/Au核壳结构组分，催化Fe3O4磁性纳米颗粒的定点生长，成功构筑了ZnxCd1-xS-Ag2S/Au@Fe3O4(x = 1, 0.9, 0.5, 0.3, 0) 四元异质纳米棒（图2）。结构分析表明，Au中间缓冲层和Fe3O4之间进行晶格匹配的外延生长。

图2. 四元异质纳米棒的外延生长表征。（a-b）高分辨图像显示每种组分晶面，展示了沿立方晶体[111]轴的外延生长方向。（c）异质纳米棒的三维模型和俯视投影图。（d）晶面原子模型。（e）纳米棒组分元素分布。（f-h）纳米棒端点结构分析。 

要点3：手性研究

对于非手性材料，其电偶极矩与磁偶极矩互相垂直；当在纳米结构中引入局域磁场后，洛伦兹力可使材料的电偶极矩发生偏转，从而与磁偶极矩产生非零相互作用，进而表现出手性光学活性（图3）。磁滞回线分析证明材料整体表现出超顺磁性，当施加外加磁场时，可进一步调控其光学活性强度和方向。得益于这种局域磁场调控机制，该磁光半导体异质结构在不引入手性配体、螺旋结构或手性晶格的前提下，实现了手性光学活性。

图3. 局域磁场在胶体异质纳米棒中的光学活性体现。（a）电偶极矩与磁偶极矩的相互作用与材料的手性关系。（b）异质纳米棒的磁滞回线。（c-d）圆二色性测试结果。（e-f）磁圆二色性测试结果。

小结

作者通过位点选择性构筑一类新型的磁光纳米材料，实现了磁诱导光学活性。该方法具有高度普适性，可广泛用于多种半导体材料与磁性组分间的耦合，为今后设计开发手性光学活性纳米材料开辟了新途径。

参考文献

Zhuang, T.-T.; Li, Y.; Gao, X.-Q. et al.Regioselective magnetization in semiconducting nanorods. Nat. Nanotechnol.2020,

DOI: 10.1038/s41565-019-0606-8

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0606-8