手性有机-无机杂化钙钛矿（Chiral Hybrid Organic–Inorganic Perovskites, HOIPs）的研究进展与应用前景
作者与发表信息
本文由Guankui Long（南洋理工大学）、Randy Sabatini（悉尼大学）、Makhsud I. Saidaminov（多伦多大学/维多利亚大学）等8位学者联合撰写，通讯作者为Edward H. Sargent（多伦多大学）和Weibo Gao（南洋理工大学）。文章于2020年发表在*Nature Reviews Materials*期刊上，标题为《Chiral-perovskite optoelectronics》。
主题与背景
本文是一篇系统性综述，聚焦于手性有机-无机杂化钙钛矿（Chiral HOIPs）在光电子学、自旋电子学和铁电材料领域的应用潜力。钙钛矿材料因其长载流子扩散长度、高吸收系数和可调带隙等特性，已成为太阳能电池、发光二极管（LEDs）和激光器的核心材料。而手性HOIPs通过引入手性有机配体，进一步赋予材料圆偏振光（Circularly Polarized Light, CPL）响应、自旋极化和铁电性等独特功能，为新型器件设计开辟了道路。
主要观点与论据
1. 手性HOIPs的结构设计与合成策略
手性HOIPs的合成主要通过两种途径实现：
- 直接合成法：使用手性配体（如(S)-甲基苄胺、®-3-氨基哌啶）直接构建低维（1D、2D）钙钛矿晶体。例如，2003年首次报道的1D手性钙钛矿单晶[(S)-MBA]PbX₃（X = Cl, Br, I）和2006年的2D层状结构[(S)-MBA]₂PbI₄。
- 后合成修饰法：通过手性配体交换（如DACH配体）或超分子诱导（如手性脂质凝胶模板）将手性传递至钙钛矿纳米晶表面。例如，手性纳米晶通过表面晶格畸变实现圆二色性（Circular Dichroism, CD）信号（240–540 nm）。
关键证据：
- 低维手性HOIPs中，有机配体比例越高，手性效应越强（如1D结构的各向异性因子gabs显著高于2D结构）。
- 溶剂工程策略（如DMSO辅助结晶）可调控手性钙钛矿的非线性光学响应，如®-MPEA₁.₅PbBr₃.₅(DMSO)₀.₅纳米线表现出强二次谐波产生（Second-Harmonic Generation, SHG）活性。
2. 手性HOIPs的光电应用
圆偏振光探测器（CPL Photodetectors）：
- 1D手性钙钛矿（如®-MBAPbI₃）在395 nm波长下响应度达120 mA/W，区分左右圆偏振光的能力（gres）为0.10，优于传统手性超材料。
- 2D手性钙钛矿/MoS₂异质结器件在519 nm处响应度提升至450 mA/W，探测率（Detectivity）达2.2×10¹¹ Jones。
圆偏振光源（CPL Sources）：
- 低维手性钙钛矿（Low-Dimensional Chiral Perovskites, LDCPs）通过能量漏斗效应（Energy Funneling）实现90%的光致发光量子产率（PLQY），并在无外磁场下产生3%的圆偏振发光（CPPL）。
- 纯2D手性钙钛矿（如®-MBA₂PbI₄）在77 K下CPPL极化率高达17.3%，为自旋光源提供了新选择。
非线性手性光学效应：
- 手性HOIPs的非中心对称结构支持高阶非线性效应，如®-MPEA₁.₅PbBr₃.₅(DMSO)₀.₅纳米线的SHG圆二色性（SHG-CD）显著，可用于集成光子电路。
- 双光子吸收上转换圆偏振发光（TP-UCPPL）在生物成像和通信波段（近红外）具有应用潜力。
3. 铁电与自旋电子学特性
铁电性：
- 手性HOIPs的 Sohncke空间群（如P2₁）赋予其本征铁电性。例如，®-CMBA₂PbI₄的饱和极化强度达13.96 µC/cm²，是钛酸钡（BTO）的2倍。
- 引入卤素原子（如F、Cl）可增强偶极矩，提高铁电相变温度（如®-3-FP-MnCl₃的相变温度提升至333 K）。
自旋调控：
- 手性HOIPs通过Rashba分裂和长自旋寿命实现零磁场下的自旋极化，可用于自旋过滤器（Spin Filter）和自旋晶体管。
- 手性诱导的自旋选择性（Chiral-Induced Spin Selectivity, CISS）效应为自旋-光子接口（Quantum Networks）提供了新思路。
4. 未来挑战与机遇
- 3D手性HOIPs的合成：目前仅存在理论预测（如CHFClNH₃⁺配体），需突破动力学稳定性限制。
- 无铅化设计：Sn²⁺、Bi³⁺基手性钙钛矿的环境友好特性亟待开发。
- 机器学习辅助：通过高通量计算筛选手性配体与金属组合，优化材料性能。
论文价值与意义
本文首次全面梳理了手性HOIPs的结构-性能关系，并提出了其在量子通信、3D显示和非易失性存储器等领域的应用路线图。其核心贡献包括：
1. 跨学科整合：将手性化学、光电子学与自旋物理结合，拓展了钙钛矿材料的功能边界。
2. 方法论创新：总结了溶剂工程、超分子诱导等合成策略，为材料设计提供普适性框架。
3. 应用导向：揭示了手性HOIPs在小型化、柔性器件中的独特优势（如无需外加光学元件即可实现CPL探测）。
亮点：
- 提出“手性传递”（Chirality Transfer）的四种机制（配体诱导、表面畸变等），系统性解析了结构与性能的关联。
- 实验证实手性HOIPs在室温下的铁电极化强度超越传统氧化物，为低能耗存储器奠定基础。
- 开创性报道了零磁场下17%的自旋极化率，突破了传统自旋器件对磁场的依赖。
总结
手性HOIPs作为新兴的“功能融合材料”，其核心价值在于同时具备光电活性、手性响应和自旋调控能力。未来研究需聚焦于3D结构构建、稳定性提升及器件集成，以推动其在量子计算和生物成像等领域的实用化进程。