特別說明：本文由米測技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。原創(chuàng)丨追光者（米測 技術(shù)中心）
研究背景
過渡金屬二硫化物(TMDs)這類原子薄的二維材料由于其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用潛力，成為了科學(xué)界研究的熱點之一。然而，傳統(tǒng)的TMDs在結(jié)晶時通常呈現(xiàn)出穩(wěn)定的2H相，而一些非常規(guī)的相，如1T和1T′相，具有金屬和半金屬性質(zhì)，因而引發(fā)了人們的極大興趣。這些非常規(guī)相的出現(xiàn)為TMDs的性能調(diào)控和應(yīng)用提供了新的思路，但是由于其亞穩(wěn)定性，其制備過程仍然面臨著挑戰(zhàn)。因此，科學(xué)家們開始尋求一種新的方法，能夠在金屬基底或模板上制備出具有高相純度和穩(wěn)定性的1T′-TMD單層，以滿足科學(xué)研究和工程應(yīng)用的需求。然而，傳統(tǒng)的合成方法往往受到嚴(yán)格的合成條件和復(fù)雜的合成工藝的限制，導(dǎo)致制備過程不夠簡便、快速，并且常常無法保證所得產(chǎn)物的相純度和穩(wěn)定性。而且，由于1T′相的亞穩(wěn)定性，常常會發(fā)生相轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，從而影響了其在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)。因此，迫切需要一種新的、能夠高效、簡便地制備出高質(zhì)量1T′-TMD單層的方法，以解決當(dāng)前存在的問題。為了解決上述問題，香港城市大學(xué)張華教授，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所Feng Ding聯(lián)合在Nature Materials發(fā)題為“1T′-transition metal dichalcogenide monolayers stabilized on 4H-Au nanowires for ultrasensitive SERS detection”研究論文。本研究提出了一種全新的制備方法，利用4H-Au納米線作為模板，通過一種簡便、快速的濕化學(xué)方法，在其表面實現(xiàn)了高相純度和穩(wěn)定性的1T′-TMD單層的生長。這種方法不僅簡化了制備過程，同時也能夠有效地控制產(chǎn)物的相純度和穩(wěn)定性，從而為后續(xù)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供了可靠的基礎(chǔ)。
圖文解讀
為了在4H-Au納米線上合成高相純度和穩(wěn)定性的1T′-TMD單層，研究者首先通過稍作修改的方法合成了4H-Au納米線。然后，他們利用合成的4H-Au納米線作為模板，在其表面通過濕化學(xué)方法實現(xiàn)了四種1T′-TMD單層（包括WS2、WSe2、MoS2和MoSe2）的準(zhǔn)外延生長，形成了4H-Au@1T′-TMD核殼型納米線。在圖1中，a部分展示了準(zhǔn)外延生長的示意圖。b部分是典型的4H-Au@1T′-WS2納米線的HAADF-STEM圖像，顯示W(wǎng)S2單層均勻生長在4H-Au納米線上。c部分是在b圖中淺藍(lán)色區(qū)域的HAADF-STEM圖像，顯示了WS2單層的更詳細(xì)結(jié)構(gòu)。d部分是在c圖中粉色區(qū)域的FFT圖案。e-i部分展示了一段4H-Au@1T′-WS2納米線的STEM圖像和相應(yīng)的EDS元素分布圖，證實了Au、W和S的均勻分布。j和k部分進(jìn)一步揭示了1T′-WS2單層與4H-Au納米線之間的界面原子結(jié)構(gòu)和周期性生長模式。通過這些結(jié)果，研究者成功地在金屬納米線上實現(xiàn)了高相純度和穩(wěn)定性的1T′-TMD單層的合成，為各種應(yīng)用提供了新的材料平臺。 圖1. 4H-Au@1T′-WS2 納米線的合成和結(jié)構(gòu)表征。在圖2中，研究人員使用了拉曼光譜、X射線光電子能譜（XPS）、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）等技術(shù)對所合成的4H-Au@1T′-WS2納米線的高相純度進(jìn)行了表征。通過拉曼光譜分析（圖2a），研究人員觀察到在紅色曲線下的5個鮮明的峰，分別位于130、205、256、310和408 cm^-1處，與報道的單層1T′-WS2相似，而藍(lán)色曲線下未觀察到位于350 cm^-1處的2H-WS2的特征峰，表明合成的1T′-WS2 MLs具有較高的相純度。XPS譜（圖2b）顯示了W 4f5/2和W 4f7/2的特征峰，分別位于33.7和31.5 eV，與1T′-WS2相一致，證實了1T′-WS2 MLs的存在。XANES和EXAFS測量揭示了1T′-WS2 MLs中W的局部結(jié)構(gòu)。此外，研究人員通過實驗和分子動力學(xué)模擬驗證了1T′-WS2 MLs在高溫下的相穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)其相轉(zhuǎn)變溫度遠(yuǎn)高于先前報道的值。 圖2. 4H-Au 納米線上 1T′-WS2 單層的相純度和穩(wěn)定性表征。在圖3中，研究人員通過原子分辨ABF-STEM觀察了1T′-WS2 ML在4H-Au納米線上的生長過程。他們發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)時間為0.5分鐘時，少量微小的1T′-WS2片段開始出現(xiàn)在4H-Au表面，隨著反應(yīng)時間的增加，1T′-WS2領(lǐng)域逐漸形成，最終形成高質(zhì)量的1T′-WS2 ML。通過DFT計算和實驗驗證，研究人員進(jìn)一步揭示了1T′-WS2 ML和4H-Au NW之間的相互作用機(jī)制。結(jié)果表明，1T′-WS2 ML與4H-Au NW之間的強烈相互作用和溶液效應(yīng)是形成和穩(wěn)定高質(zhì)量1T′-WS2 ML的關(guān)鍵因素。研究人員的發(fā)現(xiàn)不僅為深入理解1T′-WS2 ML在4H-Au NW上的生長機(jī)制提供了重要線索，還為其在納米電子學(xué)和催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。這些結(jié)果不僅為新型納米材料的合成提供了重要參考，還為納米電子學(xué)和催化領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過理解1T′-WS2 ML在4H-Au NW上的生長機(jī)制和相互作用機(jī)制，研究人員為開發(fā)更高效、穩(wěn)定的納米器件提供了新的思路和策略。圖3. 1T′-WS2 單層在 4H-Au 納米線上的形成和穩(wěn)定化。圖4的實驗是為了研究4H-Au@1T′-TMD納米線的SERS性能以及其在檢測分子和病毒蛋白方面的潛在應(yīng)用。圖中顯示了4H-Au@1T′-WS2納米線作為SERS平臺用于檢測羅丹明6G（R6G）分子。與其他納米線和基底相比，4H-Au@1T′-WS2納米線表現(xiàn)出最高的R6G拉曼信號強度，并且在1×10^?9 M的濃度下表現(xiàn)出相對均勻的信號分布。此外，實驗還表明，4H-Au@1T′-WS2納米線的檢測限可達(dá)到超低的1×10^?18 M，具有極高的靈敏度。進(jìn)一步的比較發(fā)現(xiàn)，與其他TMD納米線相比，4H-Au@1T′-WS2展示了最優(yōu)異的SERS性能。研究者還通過密度泛函理論計算和電磁機(jī)制解釋了4H-Au@1T′-WS2納米線的高效SERS性能。作為概念驗證，研究者制備了柔性透明的SERS帶，并成功實現(xiàn)了對多種SARS-CoV-2變異體S蛋白的超靈敏檢測，這表明了4H-Au@1T′-WS2納米線在生物傳感領(lǐng)域的巨大潛力。 圖4. 4H-Au@1T′-TMD 納米線的表面增強拉曼散射（SERS）測量。
結(jié)論展望
本研究提出了一種簡便而有效的方法，實現(xiàn)了在金納米線上的高相純度和穩(wěn)定性的1T′-TMD單層材料的準(zhǔn)外延生長。通過詳細(xì)的表征和計算，揭示了4H-Au與1T′-TMD之間的強相互作用、來自溶液中油酰胺的電荷摻雜以及4H-Au模板在1T′-TMD單層形成和穩(wěn)定中的關(guān)鍵作用。這一方法不僅提供了一種通用的制備策略，還為探索不同TMD材料在金屬襯底或模板上的非常規(guī)相提供了新的思路。此外，利用制備的4H-Au@1T′-TMD納米線作為SERS平臺，實現(xiàn)了對R6G等物質(zhì)的超高靈敏度檢測，甚至檢測限可達(dá)到1×10^?18?M（1?aM）。這一工作拓展了SERS技術(shù)在病毒、細(xì)菌污染、食品安全、環(huán)境污染物和藥物等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。因此，本研究不僅在納米材料合成領(lǐng)域具有重要意義，還為實現(xiàn)高靈敏度SERS檢測提供了新的思路和方法。 Li, Z., Zhai, L., Zhang, Q. et al. 1T′-transition metal dichalcogenide monolayers stabilized on 4H-Au nanowires for ultrasensitive SERS detection. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01860-w
