日本東京科學大學理學院化學系的黃檗融助教與谷口耕治教授等人的研究團隊，通過將具有對應左手右手性質的手性分子，以電化學方式嵌入層狀半導體材料MoS2的層間或從中脫嵌，成功實現了半導體手性的反復切換，並證實該過程中可控制流經半導體的電子自旋取向。相關研究成果已發表在期刊《ACS Nano》上。
圖1 層狀半導體MoS2層間手性分子Mepy+的可逆嵌入與脫嵌（供圖：東京科學大學）
近年來手性控制作為控制物質中電子自旋的新方法備受關注。其中，手性物質表現出的手性誘導自旋選擇性（CISS）因具備無需磁鐵即可生成自旋極化電流的可能性，其在新一代自旋電子學領域的應用備受期待。然而，以往物質的手性在合成時一旦確定，後續便難以自由賦予或消除，幾乎無法用作物性控制的參數。
研究團隊開發出了採用含有手性分子離子（S-或R-Mepy+）的電解液，通過電化學反應將分子可逆嵌入MoS2層間的方法。通過採用小尺寸手性分子，並將晶體應變抑制在極低水平，成功實現了分子在MoS2中的反復嵌入與脫嵌。實際經X射線繞射測量、拉曼光譜測試、電子顯微鏡觀察等確認，手性分子已被均勻導入整個晶體。此外研究還明確，通過施加與手性分子嵌入時正負符號相反的電位，可使手性分子脫嵌，晶體結構恢復至原有狀態。
研究人員對嵌入手性分子的MoS2電學特性進行詳細研究後，觀測到了電流導電的難易程度隨電子自旋取向變化的CISS。此外，研究還證實，可通過與手性分子的嵌入與脫嵌聯動，可逆地控制CISS的出現與消失。
這些結果表明，通過將手性分子導入物質內部，可向半導體可逆地賦予手性。該研究提示了一種以電學方式實現手性開關控制的新方法，有望應用於無需使用磁體的新型自旋電子器件，以及不依賴外部磁場的低功耗電子材料。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Nano
論文：Reversible On–Off Switching of Chirality via Electrochemical Intercalation Control of Enantiopure Molecular Cations in a Layered van der Waals Material
DOI：10.1021/acsnano.6c04758
