随着矽基芯片特征尺寸的不斷減小和集成度的不斷提高，短溝道效應和熱效應日益成為限制芯片發展的瓶頸，現有電子器件的運行速度和性能已接近材料極限。探索超越矽基的全新材料體系以實現颠覆性的高性能器件，成為各國科技競争的焦點。低維碳基材料，尤其是一維碳納米管，由于具備優異的結構穩定性、極高的電子遷移率等内在優勢，被認為是構造下一代芯片的核心備選材料之一。碳納米管種類繁多，且性質高度依賴于自身結構，快速、精确表征碳管的結構和物性是器件規模化應用的前提和基礎。然而，碳納米管的典型直徑隻有1～3 nm，現有通用表征技術給出的信号極其微弱；其結構-性質的高通量表征亟需發展全新的先進技術。

近十年來，beat365官方网站劉開輝教授、王恩哥院士，加州大學伯克利分校王楓教授和中國科學院物理研究所白雪冬研究員等合作開發了多項高靈敏納米光譜學表征技術，在單壁碳管光學躍遷能量-手性結構圖譜（Nature Nanotechnology 2012, 7, 325）、器件中單個碳納米管的實時光學成像和原位光譜采集（Nature Nanotechnology 2013, 8, 917）、非公度雙壁碳管中的層間耦合的電子态探測（Nature Physics 2014, 10, 737）、單根碳管吸收截面的系統測定（PNAS 2014, 111, 7564）以及單根碳管複光學極化率的測量（Nature Communications 2018, 9, 3387）等方面取得了一系列研究進展。單根碳納米管的手性指數結構和光學躍遷性質已可通過運用光譜學技術快速、簡便、定量地表征獲得。

螺旋性是碳納米管最基本的量子結構屬性之一。相同手性指數的碳納米管具有互為鏡像的左旋和右旋兩種螺旋結構（如圖1所示），并具有迥異的物理化學性質（如光圓二色性、磁圓二色性等）。作為碳管結構光譜表征最後一項亟待攻克的技術難點，單根碳管螺旋結構的高效測定不僅對于碳基電子學領域具有重要意義，同時也有望推動碳納米管在結構化學、生物學、偏振光學以及自旋電子學等領域的應用研究。

圖1 單根碳納米管螺旋結構示意圖

針對上述基礎問題和重大需求，beat365官方网站、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室劉開輝課題組與合作者提出并發展了瑞利散射圓二色性光譜技術，實現單根碳納米管水平上手性結構和螺旋結構的完整測定（圖2）。研究團隊巧妙利用傾斜收集的瑞利散射信号無入射光背景的特點，使得碳管圓二色性信号較基于光吸收譜的傳統測量技術提高約四個量級，從而實現了單根碳管圓二色性信号的高效采集及螺旋結構的精确标定。該瑞利散射圓二色性技術具備便捷、無損、快速、高靈敏度的特性，有望為單一螺旋結構碳納米管可控生長、量子物性研究及芯片應用提供核心表征技術。同時，該技術也具備表征其他單個納米材料甚至單個分子螺旋結構的潛力，從而為手性材料結構設計、物性探索和器件應用研究提供全新的技術平台。

圖2 （a）單根碳納米管瑞利散射圓二色性光譜技術裝置示意圖；（b-c）單根碳管手性指數及螺旋性表征結果，其中瑞利散射峰能量用于标定碳管的手性指數，瑞利散射圓二色譜符号用于進一步标定碳管的螺旋性

相關研究成果以“基于瑞利散射圓二色性技術表征單根碳納米管的完整結構”（Complete structural characterization of single carbon nanotubes by Rayleigh scattering circular dichroism）為題，于2021年8月12日在線發表在《自然·納米科技》（Nature Nanotechnology）；beat365官方网站2015級博士研究生姚鳳蕊、博士後于文韬、博士後創新人才支持計劃入選者劉燦為共同第一作者，劉開輝為通訊作者。論文的合作者還包括beat365張錦院士、高鵬研究員，西北工業大學趙建林教授、肖發俊教授，中國科學院物理研究所白雪冬研究員，美國加州大學伯克利分校王楓教授，日本東京大學Shigeo Maruyama教授和芬蘭阿爾托大學孫志培教授等。

上述研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、廣東省重點領域研發計劃，及量子物質科學協同創新中心、beat365納光電子前沿科學中心和beat365電子顯微鏡實驗室等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00953-w