[发明专利]低维混合维度异质结及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了低维混合维度异质结及其制备方法和用途。该制备方法包括：(1)将过渡金属氧化物和碱性溶液进行混合处理，得到前驱体溶液；(2)在基底表面涂覆前驱体溶液，将得到的基底与硫族单质供给至保护性还原气氛下进行加热处理，以便在基底表面形成过渡金属硫族化合物层；(3)对过渡金属硫族化合物层进行氧等离子体处理，以便在过渡金属硫族化合物层表面形成过渡金属氧化物纳米线，得到低维混合维度异质结。该方法不仅制备工艺简单、省时且高效，而且制得的低维混合维度异质结具有较高的分子探测灵敏度和良好的环境稳定性。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体而言，涉及低维混合维度异质结及其制备方法和用途。

背景技术

表面增强拉曼散射(SERS)是一种快速、灵敏、无损的检测技术，已经在众多领域中受到广泛关注，如环境监测、化学催化、生物/医学传感等。评价SERS基底灵敏度的最重要指标之一是探测极限，即对分子的最低探测浓度。在一些领域(如临床诊断、DNA测序、化学分析等领域)中分子探测的灵敏度需要达到飞摩尔级别甚至阿摩尔级别。贵金属基纳米材料和纳米结构为该领域提供了广泛研究的可能性，然而有限的贵金属资源和其纳米材料较低的表面均匀性严重阻碍了该类材料的实际应用。近年来，二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)材料因其原子级平坦的表面和良好的化学稳定性等优势而被广泛用于SERS基底的研究，不同于传统贵金属基纳米材料的电磁增强机制，二维TMDCs作为SERS基底的增强机制主要是化学机制，归因于探测基底和目标分子之间的电荷传输作用。但是，实现二维材料SERS基底的超灵敏分子探测仍是一项巨大的挑战。

发明内容

本发明主要是基于以下问题和发现提出的：

二维过渡金属硫族化合物为提升其性能提供了独特的整合可调性，但由于二维过渡金属硫族化合物基低维混合维度异质结的合成难度较大，阻碍了其实际应用。目前，已公开了多种制备低维混合维度异质结的方法，但在制备过程中通常需要复杂且精准的程序以及严苛的反应条件，例如，有的通过机械剥离和转移方法将一维材料和二维过渡金属硫族化合物按照一定次序和角度堆叠形成垂直异质结，但是很难实现大批量制备；有的通过采用化学气相沉积方法合成大面积过渡金属硫族化合物基低维混合维度异质结，但是该方法具有较低的可控性和可重复性。因此，急需提供一种简单且高效的制备低维混合维度异质结的方法。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出低维混合维度异质结及其制备方法和用途。该方法不仅制备工艺简单、省时且高效，而且制得的低维混合维度异质结具有较高的分子探测灵敏度和良好的环境稳定性。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备低维混合维度异质结的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)将过渡金属氧化物和碱性溶液进行混合处理，得到前驱体溶液；

(2)在基底表面涂覆所述前驱体溶液，将得到的基底与硫族单质供给至保护性还原气氛下进行加热处理，以便在所述基底表面形成过渡金属硫族化合物层；

(3)对所述过渡金属硫族化合物层进行氧等离子体处理，以便在所述过渡金属硫族化合物层表面形成过渡金属氧化物纳米线，得到低维混合维度异质结。

根据本发明上述实施例的制备低维混合维度异质结的方法，通过氧等离子体后处理工艺，能够有选择性地将二维过渡金属硫化物的目标区域转换得到一维过渡金属氧化物纳米线，得到低维混合维度异质结结构，不仅制备工艺简单高效，可实现大批量生产，而且对异质结的制备具有较好的可控性和较高的可重复性；另外，通过该方法得到的一维/二维异质结中由于一维过渡金属氧化物纳米线界面处存在应变，同时一维过渡金属氧化物和二维过渡金属硫化物之间具有较强的层间耦合作用，能够促进与表面增强拉曼散射基底与探测分子之间有效的电荷传输，从而赋予其较灵敏的分子探测性能，且具有较好的环境稳定性；此外，通过该方法得到的该低维混合维度异质结在DNA测序、激光、半导体器件、清洁能源、储能器件等领域都具有较好的应用前景。