近日，beat365呂瑞濤副教授課題組和物理系熊啟華教授課題組、清華大學深圳國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結材料，結合超快瞬态吸收光譜首次揭示了混合維度異質結與吸附分子之間超快的電荷傳輸動力學過程；異質結材料實現了痕量分子的超靈敏探測，為研發基于非貴金屬的高性能表面增強拉曼散射（SERS）材料提供了新思路。

研發超靈敏分子探測技術和材料對衆多領域的應用具有重要意義，如國土安全檢查、環境污染物監測、臨床診斷等。SERS作為一種快速、無損和高選擇性的分子探測技術，已被用于痕量分子甚至是單分子檢測研究，但基底多為貴金屬（如Au、Ag等）基納米材料。近年來，二維（2D）過渡金屬二硫化合物（TMDCs）由于豐富的原料來源、原子級平坦的表面以及可調的能帶結構等優勢而受到廣泛關注。然而，非貴金屬2D材料的探測極限一般在10^-9-10^-15M量級，以非貴金屬作為SERS基底材料實現超靈敏分子探測并揭示潛在的增強機制仍面臨着巨大挑戰。

為解決上述難題，研究團隊采用常壓化學氣相沉積（AP-CVD）工藝合成了單層和少層WSe₂，采用氧等離子體後處理成功合成了WO_3-x納米線/WSe₂的混合維度異質結。其中，WO_3-x納米線沿着底層WSe₂的三重對稱方向擇優排列（圖1）。

圖1.一維（1D）WO_3-x/二維（2D）WSe₂異質結材料的制備流程示意圖和透射電子顯微鏡表征結果

SERS性能研究表明（圖2），在不同等離子體處理時間下，當WSe₂被完全氧化為WO_3-x時（處理時間60s），在其表面可激發最強的分子拉曼信号。該處理時間制備的混合維度異質結具有超高的探測靈敏度，并具有良好的空氣穩定性。

圖2.1D/2D WO_3-x/WSe₂異質結材料的表面增強拉曼散射（SERS）效應

研究團隊利用理論計算和超快瞬态吸收光譜技術研究了混合維度異質結具有超靈敏分子探測性能的機制。根據密度泛函理論計算（圖3）可知，不同取向納米線的界面應變以及WO_3-x/WSe₂的層間耦合作用均有利于提高材料和探測分子之間的電荷傳輸效率。根據超快瞬态吸收光譜結果（圖4）可知，相比于WSe₂和WO_3-x，僅在WO_3-x/WSe₂表面檢測到泵浦誘導的亞甲基藍分子漂白信号（~690nm），表明WO_3-x在異質結和探測分子之間的電荷傳輸過程中發揮着重要的作用，異質結和分子之間的電荷傳輸時間尺度在1.0皮秒左右，直觀揭示了其超快電荷傳輸動力學過程。

圖3.1D/2D WO_3-x/WSe₂異質結增強機制的理論計算分析

圖4.1D/2D WO_3-x/WSe₂異質結材料和甲基藍（MB）分子間的超快瞬态吸收光譜

相關研究成果于5月11日以“混合維度WO_3-x納米線/WSe₂異質結用于阿摩爾水平分子探測”（Ultrafast charge transfer in mixed dimensional WO_3-x nanowire/WSe₂ heterostructuresforattomolar-level molecular sensing）為題發表于《自然·通訊》（Nature Communications）上。

論文共同第一作者為beat3652022屆博士畢業生呂倩、清華大學深圳國際研究生院2018級博士生譚隽陽和2021級博士生王志傑、北京量子信息科學研究院博士後谷鵬。清華大學為論文的第一完成單位，論文通訊作者為清華大學呂瑞濤副教授、熊啟華教授、李佳副教授和劉碧錄教授。北京量子信息科學研究院劉海雲副研究員，beat3652020級博士生俞淩枭，清華大學深圳國際研究生院康飛宇教授、成會明院士、幹林副教授、魏印平博士等為論文作出了重要貢獻。

研究得到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、深圳市基礎研究計劃項目、廣東省珠江人才計劃地方創新團隊項目的資助。

論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38198-x