石墨烯中手性的含義？

什麼是石墨烯的中手性（chiral）？手性在物理中的含義？

2016-03-14

如果某物體與其鏡像不同，則其被稱為「手性的」，且其鏡像是不能與原物體重合的，就如同左手和右手互為鏡像而無法迭合。手性物體與其鏡像被稱為對映體（enantiomorph）；在有關分子概念的引用中也被稱為「對映異構體」。可與其鏡像迭合的物體被稱為非手性的（achiral），有時也稱為雙向的（amphichiral）。許多有機物分子都具有「手性」。舉例：乳酸分子中各原子或基團在空間可有兩種排列方式，所以我們稱 CH3CHOHCOOH 為「手性分子」，只要有螺旋就有「手性」。

大多數的化學反應，如生成物含可能有對映異構體，則生成物會含有兩種或以上的對映異構體。而絕大多數的藥物都只含一個對映異構體，因為另一對映異構體可能有不良的效果、或沒有效果。例如：維生素 C 的對映異構體並不為身體所吸收，而會被排出體外，所以一片含有化學生產的 1000 毫克維生素 C 片，可能實際可吸收的維生素 C 只有一半份量。

人們將連有四個不同基團的碳原子形象地稱為「手性」碳原子（常以 * 標記手性碳原子）。舉例：手性碳原子存在於許多有機化合物中特別是和生命現象有關的有機化合物中。例如：葡萄糖、果糖、乳酸等。判斷方法為：

1、手性碳原子一定是飽和碳原子；

2、手性碳原子所連接的四個基團是不同的。

「螺旋型」的碳納米管具有手性，而「鋸齒形」(zigzag) 和「扶手椅型」(armchair) 碳納米管沒有手性。根據其取向與晶格結構的空間關係，石墨烯邊緣可以被分為兩種基本類型，分別為「鋸齒型 」和「扶手椅型」。所以，石墨烯分子沒有手性，會談到手性是指「准粒子」 (quasiparticles）。准粒子有種特性稱為手性（chirality），那與石墨烯系統中特殊的「贗自旋」相關，使得准粒子不會被這些交互作用摧毀。故這些特異的無限重粒子得以存在。詳見：贗自旋（pseudospin）究竟是什麼？該如何理解？ - 宮非的回答。

石墨烯的拉曼 D 峰與其邊緣結構密切相關，「扶手椅型」邊緣對 D 峰的貢獻比「鋸齒型」大，這可以通過「雙共振理論」來解釋。「扶手椅型」邊緣的缺陷波矢可以將兩個不等價的 K 和 K 點連接起來，滿足動量恆等，雙共振過程可以發生；而對於「鋸齒形」邊緣，共振過程則會被禁阻。因此，D 峰通常會被用來識別石墨烯的邊緣手性。

單層石墨烯中的准粒子是無質量 Dirac 費米子，由石墨烯的晶格結構引入贗自旋 σ。贗自旋來自晶格的兩個不等價子格 A 和 B，因此可像自旋粒子一樣引入手性。因此石墨烯中准粒子的手性也可像方程 η = p·s╱| p | 一樣定義為贗自旋在動量方向的投影，這裡只要把自旋算符 s 改為贗自旋算符 σ 即可。對有質量的狄拉克粒子，需要推廣無質量粒子的手性概念。

石墨烯由於帶有手性 (chirality)，使得石墨烯的「弱局域效應」還會受到彈性碰撞的影響。如果載子行經一個封閉路徑的過程中，沒有從 K 能帶（K-valley) 跳到 K′ 能帶的現象發生，那載子的相位會因為手性的關係在完成一次封閉路徑後變成反向，使得此載子會與符合時間反轉對稱路徑（time-reversed path) 的載子產生破壞性干涉。由於此破壞性干涉會抑制背向散射，因此我們稱這個現象為「弱反局域效應」(weak antilocalization)。由於「弱反局域效應」與能帶的「手性」有關，因此主要是受到能帶間（inter-valley) 以及能帶內 (intra-valley) 的彈性碰撞的影響。

能帶內的彈性碰撞機制主要有兩種，其一是由費米面在軌域的非等向性造成手性的破壞，會抑制「弱反局域效應」；其二為表面的漣波（ripple) 以及晶格的錯位產生等效磁場，等效的磁場不僅會破壞手性，也會破壞「時間反轉對稱性」 (time reversal symmetry)，因此「弱反局域效應」以及「弱局域效應」皆會被抑制。能帶間的彈性散射主要是由於晶格等級的缺陷造成，會引發能帶與能帶間的交互作用，因此同樣會抑制「弱反局域效應」，但是會助長「弱局域效應」。