英文原題：Alloy engineering allows on-demand design of ultrasensitive monolayer semiconductor SERS substrates 通訊作者：邱騰，東南大學；郝祺，東南大學；趙蓓，東南大學 作者：Xiao Tang (唐梟), Xingce Fan (范興策), Jun Zhou (周珺), Shuo Wang (王鑠), Mingze Li (李明澤), Xiangyu Hou (侯翔宇), Kewei Jiang (蔣可為), Zhenhua Ni (倪振華), Bei Zhao (趙蓓), Qi Hao (郝祺), Teng Qiu (邱騰) 背景介紹 基于化學機制（CM）的表面增強拉曼散射（SERS）是一種溫和的、具有分子選擇性的SERS方案。CM的增強因子由SERS基底和分子之間的電荷轉(zhuǎn)移（CT）決定，然而CT的效率通常較低，限制了基于CM的SERS研究。CT對激光和半導體分子系統(tǒng)之間能級的耦合效率非常敏感，如何精準而連續(xù)的能級調(diào)控，是實現(xiàn)耦合效率優(yōu)化、提升SERS性能的關(guān)鍵科學問題?；谝陨峡紤]，我們提出了一種合金工程策略，該策略的主要目標是利用組分調(diào)控實現(xiàn)二維半導體能級的精準調(diào)節(jié)，實現(xiàn)特定目標分子的選擇性SERS增強。我們制備并研究了單層WS2(1-x)Se2x，MoS2(1-x)Se2x和Mo1-xWxS2等多種過渡金屬二硫族化合物（TMD）材料，通過調(diào)整其成分實現(xiàn)了半導體能級的大范圍調(diào)節(jié)。在調(diào)控過程中，單層TMD的結(jié)構(gòu)完整性和晶格結(jié)構(gòu)都能夠得到良好保持，為準確的能級匹配提供了材料學基礎(chǔ)。這種方法為制備具有特定能級的SERS基底提供了高可重復性的方法。 圖1. 單層TMDs合金上的SERS示意圖 文章亮點 近日，東南大學邱騰教授團隊在Nano Letters上發(fā)表了基于合金工程按需定制二維材料SERS基底的研究工作。通過化學氣相沉積法（CVD）生長了不同成分的WS2(1-x)Se2x合金，隨后，根據(jù)其穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光（PL）光譜計算出每種成分的Se組分百分比（圖2）。 圖2. 單層WS2(1-x)Se2x (0≤x≤1)合金的合成與表征 為了驗證單層WS2(1-x)Se2x合金的SERS性能，采用羅丹明6G（R6G）探針分子進行了SERS研究。如圖3所示，隨著WS2(1-x)Se2x合金中Se成分的增加，合金的SERS性能先在x=0.46時增加到最大值，然后單調(diào)減小到大于初始值的值。通過微區(qū)吸收光譜與密度泛函理論模擬，WS2(1-x)Se2x的CB/VB位于純WS2和WSe2之間（圖4）。在532 nm激光（2.3 eV）的激發(fā)下，WS2只允許從HOMO到CB的電荷轉(zhuǎn)移，因此獲得了最弱的SERS；VB和CB隨著Se組分的增加而上移，當VB與分子HOMO在x=0.46處對齊時，獲得最強的CT共振；隨著Se成分的繼續(xù)增加，出現(xiàn)能級失配，導致SERS強度減弱。然而，此時依然允許從VB到LUMO的電荷轉(zhuǎn)移（0.46<x≤1），導致圖3b中觀察到的SERS信號變化趨勢。此外，還研究了不同的基底-分子系統(tǒng)與其它2D TMD合金，以證實合金工程策略的有效性，包括WS2(1-x)Se2x-CV，WS2(1-x)Se2x-RhB，MoS2(1-x)Se2x-MB，MoS2(1-x)Se2x-R6G和Mo1-xWxS2-R6G系統(tǒng)。 圖3. 單層WS2(1-x)Se2x (0≤x≤1)合金的SERS性能 圖4. 單層WS2(1-x)Se2x (0≤x≤1)合金的SERS機制 總結(jié)/展望 研究團隊通過合金工程策略，調(diào)控SERS基底的能級，以最大限度地提高目標分子的SERS效率。這種策略允許按需構(gòu)建CT共振通道，以滿足待測分子的需求。此外，還研究了SERS效率對這些合金能級的依賴性，并詳細說明了如何構(gòu)建共振CT通道。通過在不同合金、不同分子和不同CT共振項的系統(tǒng)中進行實驗驗證，論文證明了該方法的可行性。除了本文所研究的2D TMD合金，可以預測，許多具有共同化學計量和相似晶體結(jié)構(gòu)的二維層狀材料也可以通過合金工程制備具有優(yōu)異性能的SERS基底。 相關(guān)論文發(fā)表在Nano Letters上，東南大學博士研究生唐梟，范興策博士，博士研究生周珺為文章的共同第一作者，邱騰教授，郝祺副教授，趙蓓副教授為通訊作者。 通訊作者信息： 邱騰 東南大學物理學院 量子材料與信息器件教育部重點實驗室 邱騰，東南大學物理學院副院長，教授，博士生導師。2002年在南京大學匡亞明學院獲得學士學位，2007年博士畢業(yè)于南京大學物理學院。曾入選教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”，獲得德國“洪堡學者”計劃資助。研究領(lǐng)域包括表面增強拉曼散射、等離激元增強發(fā)光、混合等離激元材料及光與物質(zhì)的相互作用等，形成了低維材料—光學—工程應用的多學科交叉的研究方向，建立了表面增強光譜實驗室。近年來，團隊成員承擔科技部重點研發(fā)計劃課題等國家級科研項目10余項，獲省部級獎勵2項。 課題組主頁： https://physics.seu.edu.cn/tqiu 郝祺 東南大學物理學院 量子材料與信息器件教育部重點實驗室 郝祺博士，2016年于東南大學獲物理學博士學位，2017年起于德國萊布尼茨固體與材料研究所參與合作研究，2019年9月入職東南大學，任物理學院副教授。研究領(lǐng)域為表面增強拉曼散射(SERS)，含超靈敏功能化SERS陣列的制備、及表界面化學機理的SERS表征。目前在Adv Mater, Nat Commum, ACS Nano 等雜志發(fā)表相關(guān)SCI論文40余篇，引用1600余次，h因子23。 課題組主頁： https://physics.seu.edu.cn/2020/0101/c29635a309753/page.htm 趙蓓 東南大學物理學院 量子材料與信息器件教育部重點實驗室 趙蓓，東南大學物理學院副教授，博士生導師。2021年6月在湖南大學獲得博士學位，師從段曦東教授。2021年11月在東南大學物理學院任職。在Nature、Nat. Electron.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等知名學術(shù)期刊上發(fā)表論文30余篇。其中，以第一作者身份發(fā)表Nature 1篇，J. Am. Chem. Soc. 1篇，Adv. Mater 1篇，Adv. Funct. Mater 1篇，Nano Res. 1篇，申請中國發(fā)明專利3項。在瑞典和芬蘭舉行的27th Assembly of Advanced Materials Congress 獲得“Best Poster Presentation”。2021年，獲得湖南省優(yōu)秀畢業(yè)生，化學化工與材料京博優(yōu)秀博士論文銅獎。 課題組主頁： https://physics.seu.edu.cn/2022/0303/c29635a400273/page.htm 掃描二維碼閱讀英文原文 Nano Lett. 2023, ASAP Publication Date: July 18, 2023 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01810 Copyright ? 2023 American Chemical Society 點擊閱讀原文，報名培訓！
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