自然界有一個奇特的偏好：構成生命的大多數分子，都是"左撇子"或"右撇子"，DNA是右旋的，氨基酸幾乎清一色是左旋的。這種特性叫做手性，是生命化學最顯著的標誌之一。
現在，材料科學家正試圖把這種"生命慣性"嫁接到半導體里，造出下一代電子材料。難題是：手性半導體雖然擁有獨特的光學性質，卻長期被一個基礎缺陷卡住，它們幾乎看不見普通的可見光。
布法羅大學領導的研究團隊近期在《自然通訊》上發表的成果，找到了一種突破方法，將這個領域向實用化推進了一大步。
手性半導體的困境：能識別光，卻"看不見"光
要理解這項突破，先得明白手性半導體有多特別。
普通半導體對光的響應是無差別的，它不在乎光是左旋還是右旋。但手性半導體不一樣，它的晶體結構本身就是不對稱的，就像左手和右手無法完全重疊一樣，這種結構上的不對稱賦予了它一種罕見的能力：能夠區分左旋和右旋圓偏振光，並對兩者產生不同的響應。
物理學副教授聶婉怡和化學與生物工程助理教授蔡戴夫使用自製的光學顯微鏡探測手性鈣鈦礦晶體的手性特性。圖片來源：梅雷迪思·福雷斯特·庫爾維基/布法羅大學
這個特性在技術上的想像空間非常大。偏振光感測器、光學通信系統、量子信息處理，這些領域都依賴對光的精細操控，而手性半導體天然具備這種"辨別力"。
問題在於，大多數手性半導體的帶隙太寬，可見光攜帶的能量根本不足以激發其中的電子躍遷。這意味著它們只對紫外光有響應，而紫外光在現實應用中遠沒有可見光方便。一種對可見光視而不見的光電材料，實用價值大打折扣。
"可見光攜帶的能量不足以與手性材料相互作用，因此這些材料主要吸收能量更高的紫外光，"研究通訊作者、布法羅大學物理系副教授聶婉怡博士解釋道。
一次"助攻"，打通了關鍵瓶頸
研究團隊的解決思路，用一個籃球比賽的比喻來形容格外形象。
他們選取了由鈣鈦礦製成的手性半導體作為基礎材料，然後向其中引入一種名為F4TCNQ的有機摻雜分子，這種化合物極易接受電子。當複合材料暴露於可見光時，手性鈣鈦礦中的電子會躍遷到摻雜分子更高的能級，形成一種電荷轉移狀態，整個體系因此獲得了吸收可見光的能力。
更關鍵的是，手性並沒有在這個過程中消失，而是隨著電子的轉移，被"傳遞"給了原本不具備手性的摻雜分子，複合材料依然保持了區分左旋和右旋光的能力。
"我們成功地將手性特性轉移到了非手性分子上，所得材料保留了手性半導體作為下一代電子器件構建模塊的手性，同時還具備了對可見光響應的能力，"聶婉怡說。
參與研究的化學與生物工程系助理教授蔡戴夫（辛漢）用了一個生動的類比："手性分子就像後衛，掌握著比賽的節奏和信息；摻雜分子就像前鋒，負責最終的進攻執行。後衛把球傳給前鋒，手性就這樣完成了傳遞。"
這項研究由洛斯阿拉莫斯國家實驗室、布魯克海文國家實驗室、加州大學伯克利分校和台灣大學共同參與完成，多家頂尖機構的聯合介入，本身也說明了業界對這一方向的高度重視。
研究團隊坦言，目前對手性轉移的物理機制還沒有完全摸透。"我們看到區分左旋光和右旋光的能力正在從一種材料傳遞到另一種材料，但我們還沒有完全理解電子是如何傳遞這種信息的，以及是什麼控制著這個過程，"聶婉怡說。這也是團隊下一步研究的核心問題。
從更宏觀的視角來看，手性半導體領域正處於從基礎研究向實用化過渡的臨界點。解決可見光吸收問題，去掉了橫亘在實驗室與真實器件之間最大的一塊絆腳石。光通信、偏振成像、自旋電子學，這些領域或許都會因此受益。
生命用了幾十億年進化出分子手性，人類用它造晶元，這件事本身就足夠有趣。
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