DOI: 10.1021/acsnano.6c03720
导语
圆偏振光不仅携带强度和波长信息，还携带左旋/右旋的偏振手性信息，因此在偏振成像、手性光电探测和信息编码中具有重要价值。然而，传统CPL响应体系多依赖手性吸收造成的圆二色性差异，信号通常较弱，并且多数停留在“光学读出”层面，难以进一步转化为可放大的化学或神经形态信号。
近日，东北大学宋焱焱教授、高志达教授，南京大学张勇教授团队在《ACS Nano》发表题为“Chirality-Induced Spin-Selective Transduction of Circularly Polarized Light for Polarization–Neurochemical Coupling”的研究。研究者构建了由手性等离激元Au/氧空位CeO2（Au/Vo-CeO2）栅极和PEDOT:PSS通道组成的有机电化学晶体管（OECT）突触器件，将CPL手性通过CISS（chirality-induced spin selectivity，手性诱导自旋选择性）相关界面转运转化为电化学突触响应，并进一步利用多巴胺（DA）氧化提供化学放大，实现“偏振光—神经化学—器件响应”的耦合。
关键发现
1. 总体设计：把圆偏振光识别从光学读出推进到神经化学耦合
该研究的设计不是单纯做一个CPL光电探测器，而是构建一个仿生的“感知—处理—执行”体系。CPL作为光学输入，多巴胺作为化学输入，二者共同作用于手性Au/Vo-CeO2栅极；门电极产生的光电/电化学势变化进一步调控PEDOT:PSS通道掺杂状态，最终表现为可训练、可记忆的突触电流响应。
图1. 融合光学与神经化学调控的仿生CPL-DA神经形态学OECT平台
n生物启发：类比昆虫偏振视觉与神经递质调制，强调多模态信号融合，而不是单一光信号响应。
n器件平台：采用OECT结构，利用电解质中的离子迁移和PEDOT:PSS的掺杂/去掺杂实现电化学放大。
n化学放大：DA在栅极侧发生氧化还原调制，进一步放大CPL引起的界面电位变化。
2. 手性Au/Vo-CeO2门电极：等离激元手性结构与缺陷半导体耦合
该研究团队首先制备了具有明确L/D手性的Au螺旋纳米立方体。其形貌来源于谷胱甘肽（GSH）诱导的非对称生长，最终得到带有三维凹陷手性空腔、高曲率臂和高指数晶面的扭曲纳米立方体。L-Au与D-Au的CD和g因子呈镜像关系，说明材料层面已经建立了清晰的手性光学响应。
图2. 手性金纳米结构合成过程示意图与L-Au纳米结构的电子显微镜图像
CeO2被引入并调控为富氧空位（Vo-CeO2）半导体。一方面，氧空位带来缺陷能级和可逆Ce3+/Ce4+氧化还原对，有利于暂态电荷存储与界面电荷分离；另一方面，Au的局域表面等离激元共振可以增强可见光吸收和热点载流子产生。二者复合后形成的Au/Vo-CeO2异质结构，是后续CPL手性识别与电化学门控的关键。
n结构证据：XRD中Au的(111)/(200)以及CeO2的(111)/(220)/(311)特征峰同时出现，证明复合结构形成。
图3. Vo-CeO2及手性Au/Vo-CeO2复合材料的X射线衍射（XRD）谱图
n缺陷证据：EPR中g≈2.002的信号、XPS中Ce3+/Ce4+混合价态和O 1s吸附氧组分均指向氧空位存在。
n光学优势：Au/Vo-CeO2在500–650 nm范围表现出增强的可见光吸收，说明等离激元耦合改善了光利用。
3. CPL检测机制：手性近场、热点载流子和CISS相关自旋选择性协同作用
在机制层面，研究者将CPL响应拆解为三个连续过程：首先，不同旋向CPL与手性Au结构发生不对称等离激元耦合，产生不同的局域近场和热点载流子；随后，载流子在手性Au结构中发生CISS相关的自旋选择性传输；最后，电子注入Vo-CeO2的导带或氧空位相关受体态，导致不同旋向CPL下的界面电荷转移效率不同。
图4. L-Au/Vo-CeO2界面处CPL依赖性自旋电子电荷转移机制的示意图
nFEM模拟显示，L-Au/Vo-CeO2在638 nmCPL激发下，左旋与右旋光产生明显不同的近场分布；匹配旋向可获得更强局域场增强。
nPL淬灭实验表明，匹配旋向下非辐射载流子抽取更强，支持更有效的界面电荷分离。
nmc-AFM测试进一步显示L-Au与D-Au在磁化探针方向反转时呈相反电流趋势，自旋极化效率约为+50±10%和-46±7%，为CISS相关自旋选择性转运提供支撑。
图5. 磁导探针原子力显微镜（mc-AFM）测量装置示意图与L-Au与D-Au纳米结构在黑暗条件下通过mc-AFM测得的I-V特性曲线
4. CPL调控OECT突触行为：从光手性到可塑性电流输出
在器件层面，CPL脉冲被用作“突触前刺激”，手性门电极产生的界面势变化通过电解质耦合到PEDOT:PSS通道，引起通道掺杂程度变化并产生突触后电流（PSC）响应。与RCP相比，LCP激发下PSC更高，说明器件能够可靠区分CPL手性。
图6. OECT 突触与生物突触的对比示意图
n成对脉冲易化（PPF）测试显示，PPF指数随脉冲间隔Δt增大而降低，并且LCP条件下整体更高，体现出时间信息编码能力。
图7. 配对脉冲易化（PPF）指数与刺激间隔的依赖关系图
n通过调节LCP脉冲强度、宽度、数量和频率，可连续调控突触权重，说明器件具有类学习行为。
n重复光刺激可实现短期记忆到长期记忆转变：10个脉冲后ΔPSC增至约458 μA，40 s内衰减至约290 μA；再次学习时只需5个脉冲即可恢复记忆水平。
n循环稳定性方面，器件在400次门电压脉冲后仍保持稳定PSC响应，说明该OECT平台具备一定重复操作可靠性。
5. 多巴胺协同放大：把偏振光输入转化为神经化学调制
该工作的一个亮点在于引入多巴胺作为神经化学调制因子。DA在手性Au/Vo-CeO2栅极侧发生氧化，改变界面电位，并与CPL诱导的光电响应叠加。实验表明，LCP+DA组合产生最大的转移曲线负移和最强PSC响应，说明DA并非简单背景添加物，而是有效的化学放大器。
图8. L-Au/Vo-CeO2门控OECT在不同刺激条件下的PSC响应曲线与多模态突触装置的PSC变化随不同LCP脉冲宽度下DA浓度的变化关系直方图
nDA浓度升高会引起转移曲线逐渐负移，OCP和UV-vis结果支持DA氧化参与界面调制。
n同步施加CPL与DA时响应最强；若二者延迟输入，协同增强减弱，说明光信号和化学信号需要在时间上耦合。
n三组独立门电极重复测试的RSD低于2.4%，并且始终以LCP+DA响应最强，体现出较好的可重复性。
n机理上，Ce3+/Ce4+和氧空位有助于暂态电荷存储，增强的门电位促进PBS中Na+/K+进入PEDOT:PSS通道，从而放大PSC。
图9. 不同刺激条件下，在手性L-Au/Vo-CeO2栅极中CPL驱动、CISS介导的电子转移机制示意图
结语
该研究把CPL手性识别、CISS相关自旋选择性界面转运、氧空位CeO2缺陷电荷存储、多巴胺氧化放大以及OECT突触行为整合到同一平台中，突破了传统CPL探测“弱光学差异—直接读出”的思路。其核心贡献在于证明：圆偏振光的手性信息可以被转译为化学可放大的电化学突触信号，并进一步用于类脑识别和机械执行。
从材料设计角度看，手性等离激元结构负责产生偏振选择性热点载流子和自旋相关界面转移，Vo-CeO2负责缺陷态接收与暂态电荷调控，PEDOT:PSS/OECT则将微弱界面变化放大为可读出的突触电流。该思路为手性光电探测、神经形态器件、仿生感知以及柔性软机器人提供了新的设计路线。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c03720
第一作者：Jian-Hong Zhu
通讯作者：Pei Song、Zhida Gao、Yong Zhang、Yan-Yan Song
