界面电荷传输 | 半导体表面增强拉曼散射的驱动力
导读
表面增强拉曼散射（SERS）是一种利用基底材料放大其表面分子Raman振动信号、实现原位高灵敏度检测的谱学技术，在生命科学、食品安全、多相催化等研究领域可提供痕量分子的指纹信息。近年来，除了Au、Ag、Cu等金属基底，半导体材料也被证实具有SERS活性，这与半导体-分子二元体系中电荷传输引起的化学增强密切相关。本文从电荷传输角度总结半导体SERS的发展历程和不同种类半导体基底材料的设计策略，深度剖析半导体SERS在医学、催化、能源等领域独特的应用优势（图1）。
图1 SERS中的电荷传输：基底与应用
半导体SERS独特的增强机制
SERS基底表面的拉曼信号增强主要来源于两个作用，即以表面等离子共振为主的电磁增强（EM）以及界面电荷传输带来的化学增强（CM）。对于组成、结构丰富的半导体材料，SERS效应与电荷传输过程密切相关，材料体系涉及石墨烯/类石墨烯材料、过渡金属氧化物、有机共轭分子与配合物等。
半导体基底丰富的材料体系
虽然不同的半导体基底材料遵循不同的设计策略，但均以获得高效的电荷传输为特征。例如，二维材料石墨烯的SERS性能可通过表面氧化处理、尺寸低维化等方法获得提升；对于氧化钨、氧化钼等多种过渡金属氧化物，氧空位缺陷调制是赋予其SERS性能的一种普适手段（图2）；而化学组成极为丰富的金属有机框架材料、共轭有机分子作为基底则可通过化学结构定制实现SERS对特定分子的选择性检测；此外，二维材料间的范德华异质结、金属与半导体间的肖特基势垒也可作用于界面电荷传输，优化复合材料的SERS性能。
图2 过渡金属氧化物SERS基底
半导体SERS全新的应用领域
与金属材料相比，半导体有着丰富的光电化学性质，而这几乎都与半导体材料的界面电荷传输有关，也是半导体基底的一大特征。因此，半导体SERS应用也不再局限于传统的分析领域，尤其是基于界面电荷传输的化学增强机制使得SERS对于材料表/界面过程的原位探测具有优势。例如，精心设计的SERS基底已成功应用于癌症筛查、电催化反应历程监控、锂电池电解质离子溶剂化结构表征、半导体表面氧空位缺陷生成动力学监控等（图3）。作为一种原位表征手段，半导体SERS具有广阔的应用前景。
图3 SERS应用领域
总结和展望
近五年，半导体材料作为SERS基底迅速成为一个热门的研究方向，不断涌现的SERS基底材料以电荷迁移的化学增强作用为共同特征，推动SERS领域的理论与应用创新。
作为新兴领域，半导体SERS研究中许多科学技术问题有待解决，如进一步提升半导体基底的检测灵敏度，实现基底制备的重现性、对特定分子的选择性，开发SERS技术在医学、能源、环境等领域表/界面反应监控中的应用，都将具有重要的研究价值。
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https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(20)30054-0
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 即将于第三期发表的Review文章“Surface enhanced Raman scattering revealed by interfacial charge-transfer transitions” (投稿: 20200709；接收: 20201009；在线刊出:20201013；DOI:https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100051)
作者简介
丛杉，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所项目研究员，青促会会员。研究兴趣涉及半导体材料的可控制备与应用，包括SERS、电致变色、光催化等。近年专注于半导体化合物的微观界面构建、光/电化学性能及其构效关系研究，迄今已发表论文30余篇，他引1200余次，其中以第一或通讯作者在Nat. Commun.，Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.，Small，Chem. Commun.等期刊上发表系列论文十余篇，单篇引用超200次。相关研究成果在Chem. Rev.，Nat. Commun.，Adv. Mater.等期刊论文中获得“开辟新的途径”、“一个杰出的例子”等评价。
张炜, 中国科学院重庆绿色智能技术研究院研究员, 博导. 2000-2004年就读于苏州大学, 获学士学位. 2004-2008年就读于新加坡国立大学, 获博士学位。2008-2011年在新加坡国立大学化学与生物分子工程系从事博士后研究。2011年加入中国科学院重庆绿色智能技术研究院。主要从事功能化纳米材料与器件制备, 光谱分析技术理论与应用研究, 及相关仪器装置研制与应用。
期刊简介
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The Innovation 是由一百多位青年科学家发起成立的综合性英文期刊，与 Cell Press 合作出版，期刊内容覆盖所有自然科学。
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2020年5月21日第一期出版（点击查看）
2020年8月28日第二期出版（点击查看）