可再生能源的出现，使人类的工业化与地球生态之间不再存在天然矛盾。
太阳能作为目前备受关注的可再生能源之一，由于能量利用率低等问题而无法得到广泛的应用。已有的研究证明，对半导体材料的缺陷进行有益调控，可以提高太阳能的吸收效率与光电转化效率，有望攻克太阳能的利用难题。
Sanju Gupta 博士是宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的副研究员、物理系的教育工作者，以及中佛罗里达大学纳米科学与技术中心的客座科学家。她带领 Saiful Khondaker 博士和中佛罗里达大学的研究生 Ammon Johnston 研究材料缺陷与性能之间的关系，希望能通过缺陷工程优化太阳能材料的性能。
上图为 Sanju Gupta 博士；下图左一为 Ammon Johnston，左二为 Saiful Khondaker 博士
缺陷工程旨在消除不利缺陷，并引入有益缺陷，以此优化材料的物理、化学和电化学功能。
想要利用缺陷来调控材料的性能，首先需要明确材料缺陷和性能之间的联系，Gupta 博士多年来一直专注于回答这一问题。为此，她通过在材料中人为地引入缺陷来模拟自然生成的缺陷，从而分析这些缺陷对材料性能的影响。
精准、可控的缺陷引入手段是研究的关键。不同于传统的掺杂引入缺陷的方法，Gupta 博士企图通过外部处理的方法（中功率氧等离子体和电子束辐射）来精确地制造缺陷，因此她选择了厚度只有原子级的、对外部处理很敏感的二维二硫化钼（MoS2）作为研究模型。
然而，二维 MoS2 的层厚仅为一个原子，需要纳米级别的精确测量才能观察到其变化，常规的显微拉曼和荧光技术无法满足这一要求。
为了突破这个测量难关， Gupta 博士选择了 HORIBA 拉曼光谱仪与原子力显微镜（AFM）联用，实现针尖增强拉曼光谱技术（TERS）进行纳米级别的测试。
“我们的目标是在纳米尺度上进行研究，以便深入理解这些原子层面的缺陷。”Gupta 博士说道：“我们还想将振动特性和光学特性相联系——TERS 技术让我们能根据探针针尖的大小，控制像素的大小，实现在大约 10 到 15 纳米的尺度进行测试。通过这个技术，我们得以将材料的分析结果与电子性质联系起来。”
本研究使用的 LabRAM HR Evolution 共聚焦拉曼显微镜（现已升级为LabRAM Odyssey Nano 高速高分辨显微共焦纳米拉曼光谱仪）非常适合进行微观和宏观的测量，它具备先进的 2D 和 3D 共聚焦成像功能，能够快速且可重复地获取极为详细的图像和分析结果。Gupta 博士说：" 这台设备非常出色，它集成了 AFM 功能，能够测量拉曼、光学光谱，还能胜任电子特性的测量，并且能在材料的同一区域进行多模态测量，你可以在材料上的同一位置完成所有的测试。"
也因此，实验得以顺利进行。
Gupta 博士及其团队已取得了一定的成果。他们的研究识别和量化了 MoS2 中硫空位的性质，进一步建立结构与电子特性之间的关系图谱，并利用拉曼光谱的“指纹”特性，在纳米尺度层面上明确区分了结构缺陷和掺杂的不同分布，两者都与 MoS2 到 MoOx 的局部转化有关，对能源科学（多相电催化和制氢）颇有助益。
目前，Gupta 博士及团队已经可以回答一些关于电子束辐照和材料缺陷及性能之间的关系：
经过电子束辐照处理后，MoS2 会产生哪些缺陷变化？首先是材料表面结构缺陷的变化，当材料长时间暴露在电子束辐照下时，形成了环状的拓扑结构（由于 Knotek-Feibelman 机制）。其次是材料内部的扩展缺陷变化，由于不饱和键、单个空位或多个空位（硫和钼）的迁移和聚集，材料形成了更多的扩展缺陷。
经过电子束辐照处理后，MoS2 的性能产生了哪些变化？长期辐射下引发的晶格无序和腐蚀，产生了禁止拉曼带，这使得表面功函数因此而增加，改善了材料的电子性能。
而在另一项研究中，Gupta 博士及其团队尝试使用 MoS2 和石墨烯进行堆叠，形成三明治排列的异质结构。她将石墨烯放置在金制衬底的顶部或MoS2 的下面，作为“纳米间隔”来增强特定性能。
明确二维材料缺陷和性能之间的关系，进而通过调控缺陷准确地优化材料性能，仍有很长的一段路要走，仍有很多问题等待 Gupta 博士解答。比如，二维 MoS2 纳米层在等离子体下的结构性能是如何变化的，包括晶格畸变和如何影响费米能级的功函数？在纳米尺度上，结构缺陷又是如何与光学、电子和光电特性相关联的？针尖增强拉曼光谱（TERS）如何帮助我们深入了解纳米尺度的空间非均质性、缺陷和相鉴别？
这些疑问不断地激励着科学家拓宽人类知识的边界，真理无穷，进一寸有进一寸的欢喜。
1 Correlated KPFM and TERS imaging to elucidate defect-induced inhomogeneities in oxygen plasma treated 2D MoS2 nanosheets. Sanju Gupta, Ammon Johnston, and Saiful Khondaker. Journal of Applied Physics, April 26, 2022
2 Surface and Physical Properties Modifications of Electron Beam‑Irradiated Monolayer MoS2‑Au Heterointerface at Nanoscale. Sanju Gupta, Ammon Johnston, and Saiful Khondaker. Journal of Electronic Materials, November 10, 2022
3 Optoelectronic Properties of MoS2/Graphene Heterostructures Prepared by Dry Transfer for Light‑Induced Energy Applications. Sanju Gupta, Ammon Johnston, and Saiful Khondaker. Journal of Electronic Materials, April 22, 2022
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