清華新聞網(wǎng)5月18日電 近日，清華大學(xué)材料學(xué)院呂瑞濤副教授課題組和物理系熊啟華教授課題組、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李佳副教授課題組和劉碧錄教授課題組合作，利用氧等離子體處理工藝成功制備了混合維度異質(zhì)結(jié)材料，結(jié)合超快瞬態(tài)吸收光譜首次揭示了混合維度異質(zhì)結(jié)與吸附分子之間超快的電荷傳輸動(dòng)力學(xué)過(guò)程；異質(zhì)結(jié)材料實(shí)現(xiàn)了痕量分子的超靈敏探測(cè)，為研發(fā)基于非貴金屬的高性能表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）材料提供了新思路。
研發(fā)超靈敏分子探測(cè)技術(shù)和材料對(duì)眾多領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，如國(guó)土安全檢查、環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)、臨床診斷等。SERS作為一種快速、無(wú)損和高選擇性的分子探測(cè)技術(shù)，已被用于痕量分子甚至是單分子檢測(cè)研究，但基底多為貴金屬（如Au、Ag等）基納米材料。近年來(lái)，二維（2D）過(guò)渡金屬二硫化合物（TMDCs）由于豐富的原料來(lái)源、原子級(jí)平坦的表面以及可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。然而，非貴金屬2D材料的探測(cè)極限一般在10-9-10-15M量級(jí)，以非貴金屬作為SERS基底材料實(shí)現(xiàn)超靈敏分子探測(cè)并揭示潛在的增強(qiáng)機(jī)制仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。
為解決上述難題，研究團(tuán)隊(duì)采用常壓化學(xué)氣相沉積（AP-CVD）工藝合成了單層和少層WSe2，采用氧等離子體后處理成功合成了WO3-x納米線(xiàn)/WSe2的混合維度異質(zhì)結(jié)。其中，WO3-x納米線(xiàn)沿著底層WSe2的三重對(duì)稱(chēng)方向擇優(yōu)排列（圖1）。
圖1.一維（1D）WO3-x/二維（2D）WSe2異質(zhì)結(jié)材料的制備流程示意圖和透射電子顯微鏡表征結(jié)果
SERS性能研究表明（圖2），在不同等離子體處理時(shí)間下，當(dāng)WSe2被完全氧化為WO3-x時(shí)（處理時(shí)間60s），在其表面可激發(fā)最強(qiáng)的分子拉曼信號(hào)。該處理時(shí)間制備的混合維度異質(zhì)結(jié)具有超高的探測(cè)靈敏度，并具有良好的空氣穩(wěn)定性。
圖2.1D/2D WO3-x/WSe2異質(zhì)結(jié)材料的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）效應(yīng)
研究團(tuán)隊(duì)利用理論計(jì)算和超快瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)研究了混合維度異質(zhì)結(jié)具有超靈敏分子探測(cè)性能的機(jī)制。根據(jù)密度泛函理論計(jì)算（圖3）可知，不同取向納米線(xiàn)的界面應(yīng)變以及WO3-x/WSe2的層間耦合作用均有利于提高材料和探測(cè)分子之間的電荷傳輸效率。根據(jù)超快瞬態(tài)吸收光譜結(jié)果（圖4）可知，相比于WSe2和WO3-x，僅在WO3-x/WSe2表面檢測(cè)到泵浦誘導(dǎo)的亞甲基藍(lán)分子漂白信號(hào)（~690nm），表明WO3-x在異質(zhì)結(jié)和探測(cè)分子之間的電荷傳輸過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，異質(zhì)結(jié)和分子之間的電荷傳輸時(shí)間尺度在1.0皮秒左右，直觀(guān)揭示了其超快電荷傳輸動(dòng)力學(xué)過(guò)程。
圖3.1D/2D WO3-x/WSe2異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)機(jī)制的理論計(jì)算分析
圖4.1D/2D WO3-x/WSe2異質(zhì)結(jié)材料和甲基藍(lán)（MB）分子間的超快瞬態(tài)吸收光譜
相關(guān)研究成果于5月11日以“混合維度WO3-x納米線(xiàn)/WSe2異質(zhì)結(jié)用于阿摩爾水平分子探測(cè)“（Ultrafast charge transfer in mixed dimensional WO3-x nanowire/WSe2 heterostructuresforattomolar-level molecular sensing）為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）上。
論文共同第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院2022屆博士畢業(yè)生呂倩、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2018級(jí)博士生譚雋陽(yáng)和2021級(jí)博士生王志杰、北京量子信息科學(xué)研究院博士后谷鵬。清華大學(xué)為論文的第一完成單位，論文通訊作者為清華大學(xué)呂瑞濤副教授、熊啟華教授、李佳副教授和劉碧錄教授。北京量子信息科學(xué)研究院劉海云副研究員，清華大學(xué)材料學(xué)院2020級(jí)博士生俞凌梟，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院康飛宇教授、成會(huì)明院士、干林副教授、魏印平博士等為論文作出了重要貢獻(xiàn)。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目、廣東省珠江人才計(jì)劃地方創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38198-x
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
