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摘要：本研究提出了一种无需将手性分子通过化学键连接到非手性半导体上，仅通过电气吸附就能在表面产生“手性电子态”。

关键词：手性、电控制、界面诱导手性、手性离子液体、双电层晶体管

要点

以电气方式在非手性半导体界面诱导手性
通过含有手性离子液体的双电层晶体管，控制手性分子离子在半导体界面的吸附
作为一种无需化学键合即可使半导体手性化的新技术受到期待

通过分子吸附创造手性电子态

背景

“手性”对应“右手”和“左手”的性质，与分子结构、晶体对称性，以及电子态和自旋序等相关，是一个涉及化学、物理、生物学等广泛领域的基本概念。自然界中存在的氨基酸、糖类、DNA等生物分子仅具有单手性，这种不对称性在生命功能的表达中起着本质的作用。近年来发现，手性对称性也会影响光和电子自旋等物理自由度，手性已成为从化学反应控制到光电子物性、自旋电子学等前沿材料科学中的重要关键词。

以往，为非手性物质赋予手性的主流方法是在目标分子或金属的中心，通过共价键之类的化学键引入手性官能团或有机配体。然而，这种化学修饰方法将手性元素固定在分子结构中，合成后的手性反转或可逆控制难以实现。

另一方面，近年来有报告称，仅将手性分子插入或吸附到层状范德华化合物或金属、半导体纳米粒子表面等，就能观察到由手性引起的电子物性。这是分子的手性信息转移到界面电子系统的现象，作为一种无需强化学键即可诱导手性的方法而受到关注。

研究成果

本研究构建了以含有手性分子离子的离子液体为栅极介质的双电层晶体管（EDLT）结构，通过在该EDLT的栅极电极上施加电压，控制手性分子离子在非手性半导体MoS₂表面的吸附（图1A）。由EDLT形成的双电层可作为具有纳米级厚度的高容量电容器，能产生极强的局部电场，实现半导体界面的高密度载流子掺杂。实际上，本研究制作的EDLT成功实现了在半导体界面的电子掺杂，并确认了随着样品冷却，能够诱导电阻降低的金属导电状态（图1B）。

图1．（A）利用双电层晶体管控制手性分子阳离子吸附的概念图；（B）薄片电阻的温度相关性。VG为栅极电压。

图2．（A）手性诱导自旋选择性（CISS）的概念图。（B）用于CISS测量的EDLT的示意图。

为了研究通过上述方法获得的界面金属态，详细测量了其导电特性。结果，观察到了手性诱导自旋选择性（CISS，图2），即只有自旋与手性相对应的电子能选择性透过（图3）。此外，在施加外部磁场时，确认了电流的易流方向会根据手性反转的磁手性效应，这表明半导体界面的电子态中出现了手性（图4）。

图3．（A）吸附了R体、S体分子和（B）外消旋体分子的MoS2表面的磁电阻。磁场的正负对应强磁体Ni电极的自旋方向。当CISS中产生自旋极化电流时，如果Ni电极中的自旋与电流中电子的自旋平行，电阻会降低，否则电阻会增加。

图4．（A）吸附了R体、S体分子和（B）外消旋体分子的MoS2表面的手性磁电阻。这是在磁场与电流平行的条件下测量的电阻，磁场的正负表示电流方向相反。可以确认电流的易流方向取决于吸附分子的手性。

这些结果证实，无需将手性分子通过化学键连接到非手性半导体上，仅通过电气吸附就能在表面产生“手性电子态”。本研究成果提出了一种与以往需要化学修饰的手性引入法具有本质区别的新型电气式手性控制方法。

https://www.isct.ac.jp/ja/news/y7c1o8c2efcs

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成功将“手性”电化学写入层状半导体，实现自旋极化的可逆切换

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