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等离子体材料界面处的电荷/能量分离对于最小化等离子体损耗以及提升其在光化学和光电子学应用中的性能至关重要。尽管等离子体二维过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）与半导体过渡金属二硫化物（TMDs）组成的异质结构展现出巨大潜力，但等离子体诱导的载流子动力学在这些界面处的机制仍不清楚。
在此，
德国德累斯顿工业大学冯新亮院士，于明浩研究员，意大利米兰理工大学Francesco Scotognella教授和德国马普高分子所王海博士等人
揭示了由宏观尺度的Ti
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和MoS
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薄膜组成的异质结构薄膜中独特的二次激发现象和超快的电荷/能量转移过程。通过瑞利-贝纳德对流（Rayleigh–Bénard convection）和马兰戈尼效应（Marangoni effect）诱导的自组装，制备了由边缘连接的单层纳米片组成的厘米级尺度的Ti
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薄膜。这些薄膜以可控的顺序灵活堆叠，形成宏观异质结构，从而可以利用瞬态吸收光谱和光学泵浦-太赫兹探测光谱来研究和调控激发态动力学。
同时，在Ti
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和MoS
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异质结中，观察到由Ti
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的表面等离子体共振驱动的MoS
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中的二次激发，这一现象的特征上升时间常数约为70皮秒，可能通过界面处的声子回收得以促进。进一步的界面热传输工程,—通过调整三层异质结构中界面的顺序和组合—能够将特征时间延长至约175皮秒。此外，还识别出从Ti
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到MoS
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的亚150飞秒超快电荷/能量转移过程。转移效率强烈依赖于激发光子能量，在3.10电子伏特激发下，MoS
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的光电导率可增加高达约180%。这些见解对于开发基于等离子体MXene的异质结构至关重要，为光化学和光电子学应用的进步铺平了道路。
相关文章以“
Interface-Tailored Secondary Excitation and Ultrafast Charge/Energy Transfer in Ti
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‑MoS
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Heterostructure Films
”为题发表在
J. Am. Chem. Soc.
上！这也是冯新亮院士发表的第85篇JACS！
等离子体材料因其能够通过表面等离子体共振或局域表面等离子体共振限制光能而闻名，这使得它们在光化学反应和光电子器件中极具应用前景。近年来，新兴的二维过渡金属碳化物/氮化物（即MXenes，以Ti
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为代表）被发现具有从可见光到近红外和中红外波长范围内的广泛表面等离子体（SP）模式。MXenes通常通过选择性蚀刻其MAX前驱体的原子层来合成，其一般化学式为M
n+1
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（M代表过渡金属，X代表C和/或N，T
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指表面终止基团），它们展现出显著的结构多样性，包括M和X元素的变化、原子层数、平面内和外平面的排列、固溶体晶格以及丰富的表面化学性质。这种结构多样性为表面等离子体工程提供了广阔的实验空间，使MXenes成为一类具有多样化应用的独特等离子体材料。
然而，等离子体产生的热载流子面临着快速的动能损耗，主要以晶格热的形式散失，这极大地限制了它们在潜在应用中的有效性。在MXenes中，这种损耗途径被认为涉及多种能量转换过程，包括直接的等离子体-声子耦合、朗道阻尼后的非热电子-声子耦合以及电子热化后的热电子-声子耦合。时间分辨光谱学和超快电子衍射为研究MXenes中超快热载流子-晶格弛豫提供了重要见解，观察到载流子-声子散射在100飞秒内发生，而激发的晶格振动在大约230飞秒内出现。构建能够实现超快电荷分离和能量转移的界面，是操纵等离子体-振动相互作用和减少等离子体损耗的有前景的途径。然而，对于指导未来界面优化至关重要的MXene-TMD异质结构中的基本界面电荷/能量动力学，至今仍不清楚。
本文采用Ti
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作为模型材料，构建宏观尺度的异质结构薄膜，揭示了异质结中独特的二次激发现象和超快的电荷/能量转移过程。具体而言，作者利用瑞利-贝纳德对流和马兰戈尼效应诱导的自组装，制备了由边缘连接的单层纳米片组成的宏观连续面积（可达平方厘米）的Ti
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薄膜。这些薄膜的灵活堆叠使得能够构建可调配置的宏观尺度异质结构薄膜，通过瞬态吸收光谱和光学泵浦-太赫兹探测光谱直接检测和调控激发态动力学。在双层Ti
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异质结构薄膜（记作HS-TM）中，发现了一个有趣的二次激发现象：在1.55 eV激发下，MoS
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的二次激发由Ti
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的表面等离子体共振主导界面动力学。这一现象可以通过声子回收来解释，其特征时间为约70皮秒，其中Ti
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中产生的热量传递到MoS
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并激活电子激发。同时，还构建了三层异质结构薄膜，其配置分别为Ti
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（记作HS-TMT）和Ti
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（记作HS-TTM），展示了界面工程如何影响界面热传输并延长MoS
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中的激发态寿命。
图1：Ti
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异质结薄膜的制备及其激发态动力学示意图。
Ti
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异质结薄膜的制备
通过自组装方法，利用Ti
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的纳米片制备了宏观尺度的单层薄膜，并通过堆叠构建了Ti
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异质结薄膜。同时，这些薄膜通过瑞利-贝纳德对流和马兰戈尼效应实现了大面积（平方厘米级）的连续覆盖，并可通过“捞取”转移到不同基底上。实验中，团队观察到异质结构中MoS
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的二次激发现象，归因于Ti
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的声子回收效应。此外，通过界面热传输工程，三层异质结构（如HS-TMT和HS-TTM）显著延长了MoS
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的激发态寿命（最长超过800皮秒）。同时，从Ti
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到MoS
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的超快电荷/能量转移过程在150飞秒内完成，且效率随激发光子能量增加而提高。这些发现为调控MoS
