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Topology-Controlled Chirality and Spin Selectivity in Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks

手性(物理) 化学 圆二色性 圆极化 选择性 自旋极化 自旋(空气动力学) 化学物理 共价键 单层 磁圆二色性 极化(电化学) 范德瓦尔斯力 凝聚态物理 结晶学 分子物理学 线性二色性 自旋电子学 纳米技术 发光 电子顺磁共振
作者
Chao Jiang,Chuanyu Jin,Yao Lv,Xing Han,Z. Li,Zeyi Liu,Qiang Yan,Y Liu,Sheng Dai,D. Li,Yong Cui
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (2): 2551-2562 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.5c18071
摘要

Controlling electron spin is fundamental to spintronics, where the chirality-induced spin selectivity (CISS) effect enables magnet-free spin-polarized transport. However, achieving robust and tunable spin polarization in solid-state materials remains a critical challenge. Here, we show that topological isomerism offers a direct strategy to modulate chirality and spin selectivity in two-dimensional (2D) covalent organic frameworks (COFs). Two Zn(salen)-based chiral COFs, TPE-KGM and TPE-SQL, were synthesized from identical precursors yet crystallized into distinct kgm and sql networks. Although compositionally identical, the kgm COF exhibits only weak local geometrical chirality, whereas the sql develops long-range structural chirality that markedly enhances spin selectivity. Circular dichroism (CD) and circularly polarized luminescence (CPL) reveal stronger chiral amplification in the sql topology, while magnetic conductive atomic force microscopy (mc-AFM) confirms enhanced spin polarization of 83% for TPE-SQL versus 53% for TPE-KGM, in sharp contrast to inorganic kgm crystals, where spin frustration and electronic chirality in kgm lattices typically yield higher spin polarization. Furthermore, both frameworks can be exfoliated into nanosheets and integrated with monolayer WSe2 to form van der Waals heterostructures, achieving spin injection with degrees of circular polarization of 8.1% (TPE-SQL) and 3.9% (TPE-KGM) at 78 K. These findings establish topology as a powerful design principle for governing chirality and spin selectivity in crystalline polymers, advancing the development of chiral optoelectronic and valleytronic materials.
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