近日，清华大学材料学院吕瑞涛副教授课题组和物理系熊启华教授课题组、清华大学深圳国际研究生院李佳副教授课题组和刘碧录教授课题组合作，利用氧等离子体处理工艺成功制备了混合维度异质结材料，结合超快瞬态吸收光谱首次揭示了混合维度异质结与吸附分子之间超快的电荷传输动力学过程；异质结材料实现了痕量分子的超灵敏探测，为研发基于非贵金属的高性能表面增强拉曼散射（SERS）材料提供了新思路。

研发超灵敏分子探测技术和材料对众多领域的应用具有重要意义，如国土安全检查、环境污染物监测、临床诊断等。SERS作为一种快速、无损和高选择性的分子探测技术，已被用于痕量分子甚至是单分子检测研究，但基底多为贵金属（如Au、Ag等）基纳米材料。近年来，二维（2D）过渡金属二硫化合物（TMDCs）由于丰富的原料来源、原子级平坦的表面以及可调的能带结构等优势而受到广泛关注。然而，非贵金属2D材料的探测极限一般在10^-9-10^-15M量级，以非贵金属作为SERS基底材料实现超灵敏分子探测并揭示潜在的增强机制仍面临着巨大挑战。

为解决上述难题，研究团队采用常压化学气相沉积（AP-CVD）工艺合成了单层和少层WSe₂，采用氧等离子体后处理成功合成了WO_3-x纳米线/WSe₂的混合维度异质结。其中，WO_3-x纳米线沿着底层WSe₂的三重对称方向择优排列（图1）。

图1.一维（1D）WO_3-x/二维（2D）WSe₂异质结材料的制备流程示意图和透射电子显微镜表征结果

SERS性能研究表明（图2），在不同等离子体处理时间下，当WSe₂被完全氧化为WO_3-x时（处理时间60s），在其表面可激发最强的分子拉曼信号。该处理时间制备的混合维度异质结具有超高的探测灵敏度，并具有良好的空气稳定性。

图2.1D/2D WO_3-x/WSe₂异质结材料的表面增强拉曼散射（SERS）效应

研究团队利用理论计算和超快瞬态吸收光谱技术研究了混合维度异质结具有超灵敏分子探测性能的机制。根据密度泛函理论计算（图3）可知，不同取向纳米线的界面应变以及WO_3-x/WSe₂的层间耦合作用均有利于提高材料和探测分子之间的电荷传输效率。根据超快瞬态吸收光谱结果（图4）可知，相比于WSe₂和WO_3-x，仅在WO_3-x/WSe₂表面检测到泵浦诱导的亚甲基蓝分子漂白信号（~690nm），表明WO_3-x在异质结和探测分子之间的电荷传输过程中发挥着重要的作用，异质结和分子之间的电荷传输时间尺度在1.0皮秒左右，直观揭示了其超快电荷传输动力学过程。

图3.1D/2D WO_3-x/WSe₂异质结增强机制的理论计算分析

图4.1D/2D WO_3-x/WSe₂异质结材料和甲基蓝（MB）分子间的超快瞬态吸收光谱

相关研究成果于5月11日以“混合维度WO_3-x纳米线/WSe₂异质结用于阿摩尔水平分子探测“（Ultrafast charge transfer in mixed dimensional WO_3-x nanowire/WSe₂ heterostructuresforattomolar-level molecular sensing）为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上。

论文共同第一作者为清华大学材料学院2022届博士毕业生吕倩、清华大学深圳国际研究生院2018级博士生谭隽阳和2021级博士生王志杰、北京量子信息科学研究院博士后谷鹏。清华大学为论文的第一完成单位，论文通讯作者为清华大学吕瑞涛副教授、熊启华教授、李佳副教授和刘碧录教授。北京量子信息科学研究院刘海云副研究员，清华大学材料学院2020级博士生俞凌枭，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、成会明院士、干林副教授、魏印平博士等为论文作出了重要贡献。

研究得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、深圳市基础研究计划项目、广东省珠江人才计划地方创新团队项目的资助。