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Ultrafast charge transfer in mixed-dimensional WO3-x nanowire/WSe2 heterostructures for attomolar-level molecular sensing

异质结 材料科学 纳米线 纳米技术 拉曼光谱 超短脉冲 拉曼散射 纳米结构 化学物理 皮秒 光电子学 化学 激光器 光学 物理
作者
Qian Lv,Junyang Tan,Zhijie Wang,Peng Gu,Haiyun Liu,Lingxiao Yu,Yinping Wei,Lin Gan,Bilu Liu,Jia Li,Feiyu Kang,Hui‐Ming Cheng,Qihua Xiong,Ruitao Lv
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:28
标识
DOI:10.1038/s41467-023-38198-x
摘要

Developing efficient noble-metal-free surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrates and unveiling the underlying mechanism is crucial for ultrasensitive molecular sensing. Herein, we report a facile synthesis of mixed-dimensional heterostructures via oxygen plasma treatments of two-dimensional (2D) materials. As a proof-of-concept, 1D/2D WO3-x/WSe2 heterostructures with good controllability and reproducibility are synthesized, in which 1D WO3-x nanowire patterns are laterally arranged along the three-fold symmetric directions of 2D WSe2. The WO3-x/WSe2 heterostructures exhibited high molecular sensitivity, with a limit of detection of 5 × 10-18 M and an enhancement factor of 5.0 × 1011 for methylene blue molecules, even in mixed solutions. We associate the ultrasensitive performance to the efficient charge transfer induced by the unique structures of 1D WO3-x nanowires and the effective interlayer coupling of the heterostructures. We observed a charge transfer timescale of around 1.0 picosecond via ultrafast transient spectroscopy. Our work provides an alternative strategy for the synthesis of 1D nanostructures from 2D materials and offers insights on the role of ultrafast charge transfer mechanisms in plasmon-free SERS-based molecular sensing.
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