原子薄層的過渡金屬二硫族化合物(TMD)以其獨特的物理化學性質和在催化、傳感、電子、能量轉換和生物醫(yī)學等領域的潛在應用，引起了廣泛的研究興趣。納米材料的相工程作為一種新興策略，能夠合理地設計和合成具有非常規(guī)相的納米材料，這對于調整納米材料的物理化學性質和提高其在各種應用中的性能具有重要意義。然而，由于合成方法仍然存在合成條件苛刻和合成方案復雜等問題，目前亟需開發(fā)一種溫和快速的方法來制備高相純度的1Tˊ相的TMD。
近日，深圳理工大學（籌）、中國科學院深圳先進技術研究院丁峰教授，與香港城市大學張華教授合作，以1Tˊ-transition metal dichalcogenide monolayers stabilized on 4H-Au nanowires for ultrasensitive SERS detection為題，在Nature Materials上發(fā)文。(點擊文末“閱讀原文”閱讀論文）
團隊通過在油胺溶液環(huán)境和金納米線上，成功制備出高相純度的1Tˊ相的單層WS2，WSe2，MoS2和MoSe2等一系列TMD。這些1Tˊ相的TMD具有極佳的熱穩(wěn)定性，可以在600度的高溫下保持結構穩(wěn)定。此外，制備的4H-Au@1Tˊ-WS2納米線復合材料具有超高靈敏度的SERS性能，對R6G分子和新冠病毒蛋白等有機物有極強的拉曼增強信號，可以實現(xiàn)極低濃度下的分子檢測。
這些TMD的1Tˊ相在常見環(huán)境中為亞穩(wěn)相，容易相變?yōu)楦€(wěn)定的1H相。實驗制備出高穩(wěn)定性的1Tˊ相不同尋常。丁峰教授團隊基于理論計算，揭示了金襯底和還原性溶劑環(huán)境對TMD相可控生長的重要影響。
一方面，相比于1H相，1Tˊ相和金襯底的TMD有更強的相互作用，一定程度上穩(wěn)定了1Tˊ相。電子結構計算表明，1Tˊ相的吸附導致了更為劇烈的界面電荷密度擾動。同時，晶體軌道哈密頓布居(COHP)分析表明，1Tˊ相的S/Se原子和金襯底有更強的成鍵相互作用。
另一方面，來自還原性溶劑分子的電荷轉移進一步穩(wěn)定了1Tˊ相的TMD。由于1Tˊ相比H相的電子親和能更大，溶劑中的油胺分子作為電子施主，進一步穩(wěn)定了1Tˊ相，并最終實現(xiàn)了兩相穩(wěn)定性的翻轉。受這兩方面的影響，實驗制備得到了四種具有極高熱穩(wěn)定性的1Tˊ相TMD (WS2，WSe2，MoS2和MoSe2)。理論和實驗結果的一致性，也說明了理論計算在預測材料設計方面的重要作用。
單層1Tˊ相TMD簡單、快速的濕化學合成為批量制備鋪平了道路。這一突破性技術的實現(xiàn)是相可控生長領域的里程碑式進展。金納米線上1Tˊ相TMD材料的成功制備，有望應用于食品安全和環(huán)境污染等領域的細菌、病毒污染的監(jiān)測。
文章共同通訊作者為丁峰教授和張華教授。該工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。
圖1為4H-Au@1T’-WS2合成和結構表征。
圖2為4H-Au@1T’-WS2生長機理和穩(wěn)定化。
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