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【国内论文】北京工业大学：通过将富含受体β氧化镓微带上的少层 MoS₂片层形成异质结实现紫外光增强的表面增强拉曼散射

日期：2025-09-23阅读：47

由北京工业大学的研究团队在学术期刊 Discover Nano 发布了一篇名为 UV-promoted surface-enhanced Raman spectroscopy via heterojunction of few-layer MoS₂ flakes on acceptor-rich β-Ga₂O₃ microstrips（通过将富含受体 β-Ga₂O₃ 微带上的少层 MoS₂片层形成异质结实现紫外光增强的表面增强拉曼散射（SERS））的文章。

项目支持

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：12374337）、北京市自然科学基金（项目编号：L241062）以及北京市“科技新星”计划（项目编号：20230484468）的资助。

背景

表面增强拉曼散射（SERS）因其实现超灵敏分子探测的能力，在化学传感、生物医学诊断和环境监测等领域具有广阔应用前景。传统依赖金属纳米结构的电磁增强存在均一性与成本问题，因此基于电荷转移（CT）的化学增强型半导体 SERS 受到广泛关注。其中，二维过渡金属硫属化物（2D-TMDs）因其稳定性、可调带隙和良好生物相容性成为重要研究方向，并通过缺陷调控、合金化和异质结工程等手段不断提升性能。同时，金属氧化物因丰富的缺陷态和电子结构调控能力在 SERS 中也被广泛研究。将 2D- TMDs 与氧化物构建异质结，可以显著提升 CT 效率，从而实现高灵敏检测。β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，具有高透明性和丰富的缺陷态，能够在紫外激发下增强CT过程。本研究提出了基于少层 MoS₂ 与富含受主的 β-Ga₂O₃微带的异质结 SERS 基底，并首次实验证明了其深能级缺陷驱动的 CT 增强效应，为构建新型高灵敏半导体 SERS 基底提供了新思路。

主要内容

基于二维半导体的表面增强拉曼光谱（SERS）依赖于分子与基底带隙匹配中电荷转移（CT）过程所驱动的化学增强（CM）。然而，原子层材料的低光吸收和弱光限域效应限制了拉曼强度增强因子（EFRI）。因此，提高激发光的利用效率对于促进二维半导体的 SERS 性能至关重要。本研究开发了一种异质结 SERS 衬底，由少层 MoS₂（FL-MoS₂）片覆盖在通过光学蒸气过饱和沉淀（OVSP）法生长的富含受主的 β-Ga₂O₃ 微带上构成。经过紫外（UV）激发后，富含受主的 β-Ga₂O₃ 微带能够增强 FL-MoS₂ 与分析分子之间的 CT 过程，使得 EFRI 提升了两个数量级，最高达到 9.33 × 10⁴，并将亚甲基蓝（MB）的检测限（LoD）降低至 10^-9 M。原位实验揭示，SERS 性能的提升源于由 Ga^2- 空位（V_Ga^2-）深受主（位于导带底以下 2.53 eV）俘获的光生载流子，从而促进了 CT 共振。本工作为缺陷态在化学增强型 SERS 机制中的作用提供了新的认识，并展示了提升二维材料衬底性能以实现超灵敏拉曼检测的可行性。

结论

在本研究中，提出了一种新型 FL-MoS₂@β-Ga₂O₃ 异质结 SERS 衬底，由少层 MoS₂（FL-MoS₂）薄片覆盖在富含受主的 β-Ga₂O₃ 微带上构成。通过 OVSP 方法生长的富含受主的 β-Ga₂O₃ 微带含有大量 V_Ga^2- 深能级缺陷，在紫外（UV）激发下能够促进分子共振、激子共振、电荷转移（CT）共振以及福斯特共振能量转移（FRET）等多重共振过程，从而实现显著的拉曼增强。在 FL-MoS₂@β-Ga₂O₃ 上吸附亚甲基蓝（MB）分子时，获得了最高达 9.33 × 10⁴ 的 EFRI 值。这种增强来源于位于导带底（CBM）以下 2.53 eV 的 V_Ga^2- 缺陷能级向体系注入大量自由电子，从而增强了上述所有共振过程。由此，检测限（LoD）在 UV 激活下降低了两个数量级，达到 10^-9 M。本研究为二维过渡金属二硫化物（2D-TMDCs）/氧化物半导体异质结中缺陷态在化学增强（CM）机制中的作用提供了新的见解，并为未来设计无等离子体 SERS 衬底，或与金属等离子体纳米结构进一步集成以实现高效超灵敏拉曼检测提供了新的机遇。

图 1. FL-MoS₂@β-Ga₂O₃ 异质结 SERS 衬底制备示意图。(a) 富含受主的 β-Ga₂O₃ 微带的 OVSP 生长示意图；(b) FL-MoS₂@β-Ga₂O₃ 合成示意图。

图 2. FL-MoS₂@β-Ga₂O₃ 异质结的合成表征。(a) 富含受主的 β-Ga₂O₃ 微带的 SEM 图像；(b) 富含受主的 β-Ga₂O₃ 微带的HRTEM图及对应的FFT图像；(c) 富含受主的 β-Ga₂O₃ 微带的 SEM 图及 Ga、O 元素的 EDS 分布图；(d) FL-MoS₂@β-Ga₂O₃ 的 SEM 图及 EDS 元素分布图；(e) FL-MoS₂、富含受主的 β-Ga₂O₃ 及 FL-MoS₂@β-Ga₂O₃ 的拉曼光谱。

DOI：

doi.org/10.1186/s11671-025-04339-y