PART 1

成果簡介

2021年1月，東南大學物理學院邱騰教授和郝祺副教授課題組在Nanoscale Horizons發表了題為Origin of Layer-Dependent SERS Tunability in 2D Transition Metal Dichalcogenides的論文，研究中使用同質多層二維半導體材料作為對比，這樣便排除了不同材料之間電荷轉移的影響，將層間相互作用作為單一變量，并在此基礎上探討層間相互作用對二維多層SERS基底的重要性。

PART 2

背景介紹

活性基底研究一直是表面增強拉曼散射（SERS）領域的研究熱點之一。近幾年來一些可與貴金屬比擬的低維半導體SERS活性基底的發現使SERS研究翻開了新的一頁。

眾所周知，零維和一維半導體材料構筑SERS芯片會有一些難以解決的固有問題，如合成困難、難以平面化、SERS活性不均一等。而二維半導體材料卻擁有明顯優勢：一方面，二維半導體材料的平整晶面允許均勻的化學吸附探針分子，從而便于獲得對實際應用至關重要的穩定和可重復的信號；另一方面，二維半導體材料易于制備與調控，可以實現特定功能化的組合，有望取代貴金屬成為下一代商用SERS芯片的基底材料。因此，商業二維半導體SERS芯片創新的一項重要課題就是實現其不遜于貴金屬的性能。

那么如何提升其性能呢？

我們都知道，二維半導體材料的SERS性能與其能帶結構密切相關，目前人們主要通過Lombardi教授提出的電荷轉移模型對二維半導體材料的SERS特性進行研究和分析。但是，由分子間電子波交疊產生的范德華力所主導的層間相互作用，也是影響二維半導體材料特性的重要因素之一，且其在SERS領域尚未得到深入研究。因此，邱騰教授和郝祺副教授課題組大膽猜測，也許通過探尋層間相互作用對二維半導體材料SERS性能的影響，可以為二維半導體材料SERS性能的提升尋找新的可行策略。

PART 3

圖文導讀

二維半導體材料的SERS性能主要受材料表面與吸附分子間的光致電荷轉移過程影響。這一過程增大了體系的散射截面，從而顯著增強了吸附分子的拉曼信號。復合體系內部的光致電荷轉移過程一方面受材料能級與分子能級相對關系的直接影響，另一方面也受制于材料表面與分子的結合程度。

從二維過渡金屬硫屬化合物材料（TMDs）中選取代表性的具有強層間相互作用的PtSe2和弱層間相互作用的ReS2作為研究對象，通過對比同質多層二維半導體材料的SERS性能，排除不同材料之間電荷轉移的影響，將層間相互作用作為單一變量，探討其在二維半導體材料的SERS活性中起到的重要作用。

通過第 一性原理計算得知，一方面，對于弱層間相互作用的ReS2，層數增加對其表面性質和能帶結構影響并不明顯；而對于強層間相互作用的PtSe2，其能帶結構隨著層數的增加發生顯著的改變，包括電子帶隙的急劇收縮和激子能量的降低，可能阻礙光致電荷轉移過程中的激子共振效應。另一方面，由于不同層原子之間的相互作用，層間相互作用會直接導致材料內部的電荷重分布，進而影響二維SERS襯底材料表面與分子的耦合。層間作用越強，層數增加時對表面與分子之間的耦合的影響就越明顯。

以上理論預測是否正確呢，下面的一系列圖片展示的是將層間相互作用作為單一變量，影響二維半導體材料 SERS活性作用的過程，讓我們一起看一下：

圖 1 所制備的超薄PtSe2的基本表征及SERS性能

圖 2 所制備的超薄ReS2的基本表征及SERS性能

圖 3 不同厚度的PtSe2和ReS2的本征拉曼對比及SERS性能對比

以上這些實驗結果說明了東南大學研究團隊的理論預測的正確性。PtSe2和ReS2都具有層相關的SERS可調性，隨著層數的增加，SERS性能均會降低。對于層間相互作用越強的二維材料而言，層數增加時其SERS性能下降幅度越明顯，與理論預測一致 。隨著層數的增加，層間相互作用引起的各項變化幅度逐漸減小，SERS可調性的幅度也逐漸減小。  

本工作不僅解答了層間相互作用對二維材料SERS測量可能帶來的影響，而且加深了人們對二維半導體材料SERS機理的認識，為其它相關材料的性能調控提供了新思路。研究過程中使用的LabRAM HR 800顯微拉曼成像系統不僅提供了二維PtSe2和ReS2薄膜重要的結構信息，展示了二維PtSe2與ReS2隨層數增加時本征拉曼的變化趨勢，同時，還觀察到了吸附分子在不同基底上的高質量拉曼信號，精 準監控因材料層間作用強弱不同而導致的SERS信號變化，這對于驗證理論預測的正確性至關重要。

PART 4

總結展望

本研究由東南大學物理學院表面增強光譜課題組完成，博士生李明澤為第 一作者，邱騰教授為通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金和國家重 點研發計劃的支持。值得一提的是，課題組在該項研究中，能以不同的視角聯系當下的問題，發現可能，大膽假設，并投身實踐，最 終獲得成果。所以科研道路上的“乘風破浪”，不僅需要迎難而上的勇氣與魄力，更需要破除固性思維，在波翻浪涌中，不斷尋覓新途，抵達更遠方。

PART 5

文獻信息

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

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D0NH00625D

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