王长顺课题组：二次谐波圆二色性显微镜揭示手性二维钙钛矿中的空间相关手性

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近日，国际著名期刊《Nano Letters》在线发表了上海交通大学物理与天文学院王长顺课题组题为“Spatially Correlated Chirality in Chiral Two-Dimensional Perovskites Revealed by Second-Harmonic-Generation Circular Dichroism Microscopy”的论文。该工作加深了对手性钙钛矿中手性光学活性机制的理解，为手性相关新型非线性光学器件中钙钛矿的合理设计和合成提供了思路。

图1 二次谐波圆二色性（SHG-CD）显微镜探测手性钙钛矿空间相关手性示意图

        手性一词指的是一个物体不能与其镜像相重合。作为一个与不对称催化、生物传感、自旋电子学、光信息处理与通信等各种前沿应用密不可分的交叉学科领域，手性光电子学近年来引起了广泛的研究兴趣。在传统测量中，材料的手性是通过线性圆二色性（CD）光谱来探测的，但由于左旋和右旋圆偏光的吸光度差很小，导致其通常具有较低的信噪比。作为线性CD的非线性对应物，二次谐波圆二色性（SHG-CD）定义为左旋和右旋圆偏光激发下SHG强度的归一化差异。相比于CD，SHG-CD已被证明具有更高的手性光学灵敏度。手性有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿作为一类新的手性半导体，其优异的光电性能已显示出用于手性光电子学的巨大潜力。然而，目前对手性钙钛矿光学活性机制的理解仍然不足，这将阻碍新型手性钙钛矿在高效光电和自旋电子学应用中的构建。
        为解决上述问题，研究者采用间隔阳离子合金化策略将手性引入传统二维钙钛矿中，利用一步溶液处理旋涂法制备了手性薄膜。通过二维掠入射广角X射线散射等表征手段分析了薄膜的晶体取向，证明手性薄膜具有典型的多晶特征以及微晶整体高度取向的同时伴随着随机面外取向角的分布。此外，间隔阳离子合金化的手性二维钙钛矿薄膜表现出系数高达1.25 cm/MW的强双光子吸收以及780-900 nm的宽波长SHG响应等优异的非线性光学性质。结合SHG-CD显微镜的手性光学灵敏度和微区成像能力，首次在手性钙钛矿多晶薄膜中进行了SHG-CD显微成像的实验演示，并分析揭示了薄膜中空间相关的手性是由局部超分子面外取向引起。通过理论计算，研究者还定性地证明了面外取向对光学选择性的影响，并进一步强调了这种局部超分子取向诱导的手性。
        此项研究是课题组在已发表合作工作“手性杂化铜卤化物光学活性和各向异性SHG调控（Nano Lett., 2022, 22 (2): 846-852）、手性杂化铜卤化物光学活性及SHG（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60 (15): 8441-8445）”的基础上，通过逆向采用SHG-CD光谱来研究手性钙钛矿中的光学活性机制，并观察到由局部超分子取向主导的空间相关手性，进一步说明了SHG-CD显微成像在研究手性材料中空间相关手性方面的潜力。
        本论文中，上海交通大学博士生郭志航及深圳大学博士后李珺子为共同第一作者，王长顺教授、深圳大学贺廷超教授和香港中文大学（深圳）朱熹助理教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划（92050116）、国家自然科学基金（62174079）等项目的资助。
        论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01863
        文章来源：上海交通大学
        王长顺，1965年1月出生，上海交通大学物理系教授、博士生导师。1999年6月在吉林大学物理系获得博士学位，2001年5月至2003年3月在日本分子科学研究所作访问学者。科研上主要从事光学信息存储、有机聚合物材料非线性光学、同步辐射刻蚀等方面的研究。