研究背景
表面增强拉曼光谱（SERS）技术因其在单分子水平上的超高灵敏度、无损快速检测能力而被广泛应用于化学、生物医学、环境监测等领域。SERS的增强机制主要分为电磁机制（EM）和化学机制（CM）。EM主要依赖金属纳米结构的局域表面等离子体共振效应，产生强大的电磁场增强拉曼信号；而CM则基于分子与基底之间的电荷转移（CT），理论上可增强拉曼信号超过1000倍。然而，CM在复合材料中的总增强中通常贡献较小，且金属SERS基底存在信号可重复性低、背景荧光强、普适性差等问题。因此，开发新型高效的SERS基底材料，尤其是结合金属和二维材料优点的复合材料，是当前研究的热点。
成果简介
在这项工作中，研究人员提出了一种WTe2/石墨烯/银纳米颗粒（WTe2/Gr/Ag）异质结构作为SERS基底。WTe2作为一种拓扑半金属，具有铁电性、大磁阻等优异物理性质，且其费米能级附近的态密度丰富，有利于高CT活性，是理想的SERS材料。石墨烯的能级与WTe2相似，被选来形成半金属异质结构，不仅能保护WTe2免受氧化，还有利于电子-空穴对的分离，促进CT过程。引入的Ag纳米颗粒则带来EM贡献，并能产生参与CT过程的热电子。这种异质结构的设计，旨在通过能级匹配提高CT效率，从而增强SERS的CM贡献。
图文导读
图1 展示了WTe2/Gr/Ag基底的制备过程。(a) WTe2/Gr/Ag基底的示意图；(b) WTe2的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) WTe2/Gr和(d) WTe2/Gr/Ag的SEM图像；(e) WTe2/Gr基底的原子力显微镜（AFM）图像；(f) 石墨烯和(g) WTe2膜的拉曼光谱；(h) WTe2的ID-VDS曲线；(i) WTe2的ID-VGS曲线；(j) 不同Ag膜厚度下WTe2/Gr/Ag基底的SERS性能。
图2 基底的SERS性能。(a) R6G（10^-9 M）、(d) CV（10^-5 M）、(g) MB（10^-5 M）和(j) MG（10^-4 M）从WTe2/Gr/Ag、Gr/Ag和WTe2/Ag基底收集的SERS光谱；(b, c) R6G、(e, f) CV、(h, i) MB和(k, l) MG的检测限。
图3 SERS基底的机制分析。(a) WTe2/Gr/Ag、Gr/Ag和WTe2/Ag的吸收光谱；(b) Gr/Ag、(c) WTe2/Ag和(d) WTe2/Gr/Ag在532 nm激光激发下的局域电磁场模拟；(e) WTe2/Ag和(f) WTe2/Gr/Ag上R6G分子的DFT计算；(g) R6G的CT程度（ρCT）；(h) R6G、Gr/Ag/R6G、WTe2/Ag/R6G和WTe2/Gr/Ag/R6G的光致发光（PL）光谱。
图4 复合材料结构中CT分析。(a) WTe2/Ag和(b) WTe2/Gr/Ag中Ag纳米颗粒的UPS映射；(c) 石墨烯的UPS映射；(d) WTe2/Ag/R6G和(e) WTe2/Gr/Ag/R6G中CT路径的分析。
图5 热电场诱导的SERS增强机制分析。(a) 热电效应的示意图；(b) SERS测量的示意图；(c) 在温度变化过程中10^-7 M和(d) 10^-13 M R6G的SERS信号比较；(e) 在温度变化过程中收集的WTe2/Gr/Ag的UV-vis反射光谱；(f) 在温度变化过程中R6G的ρCT。
小结
本研究中，研究人员通过构建WTe2/Gr/Ag异质结构，显著提高了SERS的化学增强效果。通过精确控制材料的能级匹配和界面设计，实现了对CT过程的有效调控，从而增强了SERS信号。此外，利用WTe2的热电性质，通过外部温度变化进一步调节了SERS性能，展现了该材料体系在超灵敏检测技术中的潜力。这项工作不仅为SERS基底材料的设计提供了新思路，也为未来开发新型高效SERS传感器奠定了坚实的基础。
The Design of WTe2/Graphene/Ag NPs Heterostructure for the Improvement of the Chemical Enhancement in SERS
文献：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04339
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