表面增强拉曼光谱（Surface enhanced Raman Scattering,SERS）是一种用于探测和鉴定各种分子的有力而灵敏的分析工具,甚至可以用于单分子检测,在应用和学术研究上受到了持续的关注。具有SERS活性的半导体材料由于具有很多不可替代的优点,如较低的成本、更好的生物相容性等,基于半导体材料的SERS活性衬底无需依靠复杂的纳米制备技术便可获得可靠、稳定、均匀的SERS信号,有望在表面科学、生物检测等方面获得更多重要应用。早期的半导体SERS活性基底的增强大多基于化学增强机制,增强因子只有10-10³。而近期的一些研究发现,一些基于化学增强机制的特殊的半导体SERS活性基底,通过促进光致电荷转移过程,增强因子已经能够与电磁机制媲美。目前一般认为这种增强来源于半导体衬底材料与吸附分子之间产生的光致电荷转移,增大了拉曼散射截面。而光致电荷转移过程受基底材料中的激子共振、电子态密度以及电荷密度影响。若能通过一定手段使半导体基底实现更丰富的激子共振以及更高的电子态密度,对于其拉曼增强性能的提高是极其有利的。课题组团队通过思考预测,提出了半导体异质结增强拉曼散射的概念,同时实验上通过磁控溅射及化学气相沉积方法,设计制备了垂直纳米厚度的W₁₈O₄₉/单层MoS₂异质结型基底,并通过合理的实验设计,分别对比了W₁₈O₄₉/MoS₂异质结基底与单独的W₁₈O₄₉薄膜、单层MoS₂连续膜基底的SERS性能,不同沉积时间处理所得的拥有不同厚度的W₁₈O₄₉层的异质结基底的SERS性能,添加隔绝层前后的异质结基底SERS性能。一系列的实验数据表明,在W₁₈O₄₉/单层MoS₂异质结基底上实现了超低浓度罗丹明6G的拉曼信号的检测,检测限低至10^-99 M,增强因子约为3.45×10⁷。结合实验我们还进行了一系列的理论计算,通过计算得到异质结构的能带关系、功函数、电子态密度等参数,从实验和理论两方面严谨证明了异质结基底的SERS效果来源于光致电荷转移机制。我们认为,一方面,结型衬底的内部性质有利于单层MoS₂中的受激产生电子与空穴分离并转移,使与吸附分子接触的W₁₈O₄₉上层表面电荷密度显著提高,衬底-吸附分子复合体系之间的电子跃迁概率增大;另一方面,异质结构内部拥有更多可能的激子共振跃迁,使电荷转移得到更多的共振能量,两个因素共同作用实现了光致电荷转移巨增强过程,显著地提高了半导体基底拉曼增强性能。我们的研究为半导体拉曼散射增强基底开拓了新的思路,带来了更多的可能。