撰稿 / 陳泓銘 博士生 (國立清華大學材料科學工程學系)
審訂 / 林皓武 教授 (國立清華大學材料科學工程學系)
透過自架的共軛焦顯微系統，在室溫、無外加磁場，且未引入掌性分子或手性超材料的條件下，清華大學林皓武教授團隊首次觀察到單一鈣鈦礦奈米晶體的量子圓偏振發光特性。同時與臺灣大學周必泰教授和清華大學呂明諺教授合作，藉由密度泛函理論計算與穿隧式電子顯微術，推論晶體對稱性破壞為放光旋性的來源。有別於過往多以群體樣品作為圓偏振發光量測對象，本研究聚焦於室溫下單一奈米晶體的發光手性度，開創全新的研究視角。
鈣鈦礦圓偏振放光：群體研究居多
圓偏振放光(circularly polarized luminescence)在生物影像、三維顯示、量子通訊與量子加密等領域具有應用價值，且鈣鈦礦奈米晶體(perovskite nanocrystals)具備高光致發光量子產率、良好的晶體缺陷容忍度及製程高度可調性，因此近年來許多研究透過掌性配體修飾、旋性巨分子自組裝或結合手性超材料，使奈米晶體群體實現圓偏振放光。然而，未經上述處理的奈米晶體雖不具群體光學活性，但單體是否展現圓偏振放光特性，仍未被深入探討。
從群體到單體：旋光性研究的新里程碑
清華大學林皓武教授團隊透過自架的共軛焦顯微系統(圖1.(a))，首次觀察到在缺乏群體光學活性的奈米晶體中，個別單體仍能展現圓偏振放光特性，這項發現刊登於國際期刊《Small》。本研究對數百個 CsPbI3鈣鈦礦奈米晶體逐個進行放光手性度量測，使用的量化指標為放光非對稱因子(luminescence dissymmetry factor, glum)，其理論極限分別為純左旋光 +2 與純右旋光 −2 。實驗結果顯示，光致發光量子產率高達100%的奈米晶體群體中，於室溫且無外加磁場的條件下，單一奈米晶體不僅具備高達約 97%的單光子純度(圖1.(b))，同時可達0.41的放光非對稱因子(圖1.(c))，相較於多數需透過掌性配體修飾才能實現圓偏振放光的文獻報導(glum約10-3)，此結果高出數百倍，證明奈米晶體可單獨呈現明顯的圓偏振放光特性，展現其作為手性量子光源的潛力。
圖1. (a) 自架共軛焦顯微系統示意圖，整合單光子純度、放光壽命與圓偏振發光量測；(b) 單一奈米晶體零時間延遲二階關聯函數 g(2)(t=0) 量測結果，對應之單光子純度 (1−g(2)(0)) 約 97%；(c) 單一奈米晶體的放光非對稱因子(glum)頻譜，其在放光峰波長 655 nm的glum約為0.41。
實驗與理論結合：推論單體光學活性機制
為了進一步研究鈣鈦礦奈米晶體的本質放光旋性，本研究透過圓偏振光激發與圓偏振放光壽命的實驗比較，發現激發態中不同自旋方向的電子分佈差異會導致旋光性。與臺灣大學周必泰教授團隊合作，我們利用密度泛函理論計算(圖2.(a))，得知晶體中缺陷的空間分佈會影響電子能帶結構，進而改變奈米晶體的放光性質。同時，在清華大學呂明諺教授團隊的協助下，透過掃描穿隧式電子顯微鏡觀察到奈米晶體表面的鉛團簇(Pb clusters)、表面缺角等破壞晶體對稱性的結構(圖2.(b))，這些缺陷與圓偏振放光密切相關。綜合上述結果，提出了手性缺陷的假說(圖2.(c))。
圖2. (a) CsPbI3奈米晶體模型，左為結構優化前，右為優化後；(b) 奈米晶體的掃描穿隧式電子顯微鏡影像；(c) 手性缺陷導致奈米晶體圓偏振量子發光的示意圖。
未來展望
儘管目前共軛焦光學顯微術與穿隧式電子顯微術結合的異地(ex-situ)量測仍面臨技術挑戰，奈米晶體光學性質與晶體結構的一對一對應尚未實現，但本研究揭示缺乏群體手性的奈米晶體中，單一量子光源依然展現本質旋光性。這一前所未有的發現，不僅為手性鈣鈦礦領域提供全新的研究視角，也透過實驗觀察與理論計算，提出可能的圓偏振放光成因，具有拋磚引玉之效。
參考文獻
[1] H. M. Chen, C. C. Wu, Y. T. Chuang, D. J. Jhan, C. C. Chi, H. C. Lin, M. Y. Lu, P. T. Chou, H. W. Lin, Small 2025, e07947. DOI: 10.1002/smll.202507947
