Nanoscale Horiz.东南大学表面增强光谱课题组：探寻二维半导体材料层相关SERS可调性的起源 │ 前沿用户报道

2021-04-08 16:34:00, HORIBA HORIBA科学仪器事业部

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PART 1

成果简介

2021年1月，东南大学物理学院邱腾教授和郝祺副教授课题组在Nanoscale Horizons发表了题为Origin of Layer-Dependent SERS Tunability in 2D Transition Metal Dichalcogenides的论文，研究中使用同质多层二维半导体材料作为对比，这样便排除了不同材料之间电荷转移的影响，将层间相互作用作为单一变量，并在此基础上探讨层间相互作用对二维多层SERS基底的重要性。

PART 2

背景介绍

活性基底研究一直是表面增强拉曼散射（SERS）领域的研究热点之一。近几年来一些可与贵金属比拟的低维半导体SERS活性基底的发现使SERS研究翻开了新的一页。

众所周知，零维和一维半导体材料构筑SERS芯片会有一些难以解决的固有问题，如合成困难、难以平面化、SERS活性不均一等。而二维半导体材料却拥有明显优势：一方面，二维半导体材料的平整晶面允许均匀的化学吸附探针分子，从而便于获得对实际应用至关重要的稳定和可重复的信号；另一方面，二维半导体材料易于制备与调控，可以实现特定功能化的组合，有望取代贵金属成为下一代商用SERS芯片的基底材料。因此，商业二维半导体SERS芯片创新的一项重要课题就是实现其不逊于贵金属的性能。

那么如何提升其性能呢？

我们都知道，二维半导体材料的SERS性能与其能带结构密切相关，目前人们主要通过Lombardi教授提出的电荷转移模型对二维半导体材料的SERS特性进行研究和分析。但是，由分子间电子波交叠产生的范德华力所主导的层间相互作用，也是影响二维半导体材料特性的重要因素之一，且其在SERS领域尚未得到深入研究。因此，邱腾教授和郝祺副教授课题组大胆猜测，也许通过探寻层间相互作用对二维半导体材料SERS性能的影响，可以为二维半导体材料SERS性能的提升寻找新的可行策略。

PART 3

图文导读

二维半导体材料的SERS性能主要受材料表面与吸附分子间的光致电荷转移过程影响。这一过程增大了体系的散射截面，从而显著增强了吸附分子的拉曼信号。复合体系内部的光致电荷转移过程一方面受材料能级与分子能级相对关系的直接影响，另一方面也受制于材料表面与分子的结合程度。

从二维过渡金属硫属化合物材料（TMDs）中选取代表性的具有强层间相互作用的PtSe₂和弱层间相互作用的ReS₂作为研究对象，通过对比同质多层二维半导体材料的SERS性能，排除不同材料之间电荷转移的影响，将层间相互作用作为单一变量，探讨其在二维半导体材料的SERS活性中起到的重要作用。

通过第一性原理计算得知，一方面，对于弱层间相互作用的ReS₂，层数增加对其表面性质和能带结构影响并不明显；而对于强层间相互作用的PtSe₂，其能带结构随着层数的增加发生显著的改变，包括电子带隙的急剧收缩和激子能量的降低，可能阻碍光致电荷转移过程中的激子共振效应。另一方面，由于不同层原子之间的相互作用，层间相互作用会直接导致材料内部的电荷重分布，进而影响二维SERS衬底材料表面与分子的耦合。层间作用越强，层数增加时对表面与分子之间的耦合的影响就越明显。

以上理论预测是否正确呢，下面的一系列图片展示的是将层间相互作用作为单一变量，影响二维半导体材料 SERS活性作用的过程，让我们一起看一下：

图 1 所制备的超薄PtSe₂的基本表征及SERS性能

图 2 所制备的超薄ReS₂的基本表征及SERS性能

图 3 不同厚度的PtSe₂和ReS₂的本征拉曼对比及SERS性能对比

以上这些实验结果说明了东南大学研究团队的理论预测的正确性。PtSe₂和ReS₂都具有层相关的SERS可调性，随着层数的增加，SERS性能均会降低。对于层间相互作用越强的二维材料而言，层数增加时其SERS性能下降幅度越明显，与理论预测一致。随着层数的增加，层间相互作用引起的各项变化幅度逐渐减小，SERS可调性的幅度也逐渐减小。

本工作不仅解答了层间相互作用对二维材料SERS测量可能带来的影响，而且加深了人们对二维半导体材料SERS机理的认识，为其它相关材料的性能调控提供了新思路。研究过程中使用的LabRAM HR 800显微拉曼成像系统不仅提供了二维PtSe₂和ReS₂薄膜重要的结构信息，展示了二维PtSe₂与ReS₂随层数增加时本征拉曼的变化趋势，同时，还观察到了吸附分子在不同基底上的高质量拉曼信号，精准监控因材料层间作用强弱不同而导致的SERS信号变化，这对于验证理论预测的正确性至关重要。

PART 4

总结展望

本研究由东南大学物理学院表面增强光谱课题组完成，博士生李明泽为第一作者，邱腾教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。值得一提的是，课题组在该项研究中，能以不同的视角联系当下的问题，发现可能，大胆假设，并投身实践，最终获得成果。所以科研道路上的“乘风破浪”，不仅需要迎难而上的勇气与魄力，更需要破除固性思维，在波翻浪涌中，不断寻觅新途，抵达更远方。

PART 5

文献信息

Origin of layer-dependent SERS tunability in 2D transition metal dichalcogenides

Nanoscale Horizons

文章署名作者：Mingze Li, Yimeng Gao, Xingce Fan, Yunjia Wei, Qi Hao and Teng Qiu

文章链接：https://doi.org/10.1039/D0NH00625D

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