北大，碳纳米管，Nature Nanotechnology

碳纳米管是典型的一维材料，除了锯齿形和扶手式碳纳米管外，一般都具有手性。两种纳米管对映体，左旋和右旋，可以显示出与圆偏振光的不同相互作用。

非破坏性、高通量光谱技术可以识别碳纳米管的手性指数(n,m)低至单根管水平。然而，为了完整的表征和解锁完整的功能，手性，这种与镜像对称破坏相关的结构特性，也需要准确和有效地识别。到目前为止，由于极弱的手性信号(约10⁻⁷)，光学方法无法对单纳米管进行手性表征。

针对这个问题，北京大学刘开辉课题组利用瑞利散射圆二色性，从手性指数和手性两方面对单纳米管进行了完整的结构识别。该方法基于倾斜角度采集的瑞利散射无背景特性，与传统的吸收圆二色法相比，纳米管的手性信号增强了3 ~ 4个数量级，成果发表在Nature Nanotechnology上。

作者在实验上发展了一种高灵敏度的瑞利散射圆二色光谱技术。如图1c所示，超连续统激光器与可调谐滤波器耦合，提供可变波长λ的宽带激发光，偏振器和光弹性调制器(PEM)用于产生频率为50 kHz的左、右交替圆偏振光，偏振保持物镜用于将调制的光聚焦到纳米管上，斜置物镜用于收集纳米管散射物。由于纳米管散射的强度随入射光的偏振度而变化，检测到的强度包括圆偏振光交变频率(f)处的时变信号(I_AC)和平均信号(I_DC)。

在实验中，时间变化的值由一个锁相放大器记录下来，同时从光电倍增管读取平均瑞利散射强度。在波长(λ)处的瑞利散射圆二色性(Ray-CD)强度可以通过以下公式得到：

I_L (I_R)为左(右)圆偏振光激发的瑞利散射强度，A为实验常数

作者测量了包括半导体和金属纳米管在内的30个单壁碳纳米管，发现它们的绝对手性信号具有明显的结构依赖性，这可以通过紧密结合的计算来定性理解。

该策略使单纳米管的手性相关功能的探索成为可能，并为在单个纳米材料水平上的手性识别和手性器件探索提供了一个方便的平台。

图文详情

北大，碳纳米管，Nature Nanotechnology

图1. 单纳米管的手性信号测量

北大，碳纳米管，Nature Nanotechnology

图2. 悬浮纳米管的瑞利圆二色性测量

北大，碳纳米管，Nature Nanotechnology

图3. 3个代表性纳米管的典型瑞利散射圆二色性结果和30个纳米管的手性结果总结

北大，碳纳米管，Nature Nanotechnology

图4. 结构依赖的瑞利散射圆二色性强度

文章信息

Yao, F., Yu, W., Liu, C. et al. Complete structural characterization of single carbon nanotubes by Rayleigh scattering circular dichroism. Nat. Nanotechnol. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41565-021-00953-w

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北大，碳纳米管，Nature Nanotechnology

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