[发明专利]一种雪花状的二硫化钨二维晶体材料、SERS传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明属于半导体二维纳米晶体材料及表面拉曼增强散射技术领域，公开了一种雪花状的二硫化钨二维晶体材料、SERS传感器及其制备方法和应用。采用真空镀膜技术在生成物衬底上蒸镀一层WO_X薄膜并将其作为生长基片，然后采用常压化学气相沉积法，在高温、惰性气体的环境下与硫源前驱体发生反应，在生长基片上制备出雪花状的二硫化钨二维晶体材料。由于该二维晶体材料的形貌特殊，其可与纳米金颗粒发生自组装，进而制备出高性能的WS₂@Au基的SERS传感器。本发明具有实验步骤精简、成本低廉等优点，所制备出的SERS传感器具有高稳定性、强拉曼增强能力，可用于对微量有机分子的无损痕量测定。

技术领域

本发明属于半导体二维纳米晶体材料及表面拉曼增强散射技术领域，特别涉及一种雪花状的二硫化钨二维晶体材料、SERS传感器及其制备方法和应用。

背景技术

人们对二维晶体材料的认识可以追溯到大约四千年前，在那时人们就已开始使用石墨作为涂料、笔墨，但由于当时人们知识的匮乏，限制了对石墨的进一步研究。直到2004年，英国的Konstantin Novoselov教授及其课题组采用机械剥离法从块状石墨上剥离得到单原子层厚的二维碳原子层，并将其命名为石墨烯，这时人们对于二维晶体材料的研究才有了突破性的进展。但由于石墨烯的带隙为零，极大地限制了其在光电器件、半导体领域的应用。取而代之地，是过渡金属硫族化合物二维晶体材料，二硫化钨二维晶体材料作为其中的一种，其具有依赖于层数的可调节带隙、双极性电子运输特性、高电子迁移率等优异的性能，进而被广泛用于制作光电探测器、气敏传感器、场效应晶体管等器件，但这些器件的性能极大程度上取决于二硫化钨二维晶体材料的形貌、层数、尺寸等参数。其中，不规则多边形的二硫化钨二维晶体材料拥有更丰富的边缘，可以暴露出更多的边缘活性位点。因此，可控地制备出特定参数的二硫化钨二维晶体材料，是将其进一步应用于器件的关键。目前，在二硫化钨二维晶体材料的众多合成方法中，化学气相沉积法因具有成本低廉、多条件可控、可大规模制备等优点而成为制备二硫化钨二维晶体材料的优质方案。但就现有技术而言，常规的化学气相沉积法是直接采用三氧化钨粉末作为钨源前驱体，这使得在反应过程中，钨源的蒸发量和沉积量会存在较大的空间差异，进而使得生成物具有大小及厚度不一、成核密度不均匀等缺点。因此，开发一种能精确、均匀地控制钨源前驱体的量，且能有效控制二硫化钨二维晶体材料的形貌的制备方法，在实际应用中是极具发展潜力的。

表面拉曼增强散射(SERS)是一种快速、无损的用于对分子进行痕量测定的工具，自从1974年Fleischmann等人首次报道了SERS效应之后，SERS效应的增强机理得到了广泛地研究，同时也有越来越多地SERS传感器被开发出来，SERS效应已被广泛应用于农业、生物、化学、医学等领域。目前普遍认为SERS效应总共有两种机制，分别是电磁增强和化学增强，电磁增强主要是由于金属表面的等离子体激元的共振激发，能产生电磁增强的物质有金、银、铂等金属纳米颗粒；而化学增强则是由于吸附在金属表面的探针分子极化率张量发生改变，能产生化学增强的主要有过渡金属硫化物、黑磷、石墨烯、氮化硼等二维材料。其中化学增强的增强能力要远弱于电磁增强，而金、银、铂等金属纳米颗粒虽然可以实现较强的电磁增强，但是这些纳米颗粒通常被保存在液体中，这就导致了基于它们的SERS传感器具有均匀性、稳定性、重复性差的缺点，且在实际使用中还会大大增加操作难度，同时还会因不可重复使用进而导致实验成本高等一系列弊端。因此，设计一种使用操作简单、性能稳定、灵敏度高的SERS传感器具有十分重要的应用意义。

近年来，过渡金属硫化物二维晶体材料凭借其独特的与厚度相关的物理化学特性以及较强的化学电荷转移过程，也被广泛应用于SERS领域中。此外，过渡金属硫化物二维晶体材料和纳米金颗粒组成的复合材料可以提供化学增强和电磁增强的协同增强效应，其SERS性能要优于单一的金属纳米颗粒。本发明雪花状的二维晶体材料由于其形貌的特殊性，更是能暴露更多的边缘活性位点，可以吸附更多的金属纳米颗粒和探针分子，进而可以提高基于该二维晶体材料的SERS传感器的灵敏度。

发明内容