二维材料由于其独特的结构而表现出比体相材料更加优异的物理化学性质,与体相材料相比,纳米级厚度的二维材料具有高度暴露的表面,大大提高了原子的利用率,更为重要的是通过表面结构调控就可以实现对二维材料物理和化学性质的调控。过渡金属碳化物或氮化物(MXene)作为一种新型的二维材料,因其优异的光学和电学性能而引起了研究界的关注。碳化钛(Ti3C2)作为MXene家族中的典型代表,其表面暴露的Ti原子具有高化学反应活性,很容易与富电子基团结合,这为Ti3C2的表面调控提供了理论基础和条件。本论文聚焦二维Ti3C2纳米片的表面调控,从合成的全新角度出发,系统地研究了表面结构对Ti3C2化学稳定性和表面增强拉曼散射(SERS)性能的影响。主要研究内容如下:(1)Ti3C2纳米片的表面结构调控通过调节刻蚀环境、刻蚀深度以及剪切力大小来实现对Ti3C2纳米片尺寸和表面结构的调控,得到了表面覆盖铝氧阴离子或OH/F的常规尺寸和超小尺寸的Ti3C2纳米片。研究发现表面结构受刻蚀环境的影响,而刻蚀深度和剪切力大小则决定了纳米片尺寸,XPS和STEM等表征证明了铝氧阴离子成功修饰在Ti3C2表面。本研究提供了一种二维材料表面结构设计的简单方法,解决了二维MXene表面结构调控的难题,为MXene在光学和电学等领域中的应用奠定了基础。(2)Ti3C2的化学稳定性研究通过光学照片和XRD表征测试分析了表面结构调控对Ti3C2纳米片在H2O2介质和空气环境中化学稳定性的影响,探究了不同表面结构和尺寸Ti3C2纳米片在氧化过程中相、形态和光学行为的演变。研究结果表明,表面铝氧阴离子钝化的超小尺寸的Ti3C2纳米片具有更高的结构稳定性,这是由于小尺寸的Ti3C2向TiO2进行重结晶时需要大量激活的原子扩散,从而导致相变更加困难。紫外(UV)和荧光(PL)表征追踪了 Ti3C2在氧化过程中的电子和光学特性变化,结果表明紫外吸收峰会随着氧化程度的加深而逐渐变化或消失,并且当常规尺寸的Ti3C2被氧化时会呈现出荧光现象,这是Ti3C2部分氧化成TiO2所导致的。本研究有助于研究者使用更多的化学惰性基团对MXene进行功能化,从而提高MXene的稳定性。(3)表面修饰的Ti3C2的SERS活性探究提出表面修饰Ti3C2来改善其SERS性能的方法,实现了罕见的高灵敏度增强,其检测极限接近pM水平,增强因子高达1.1×107,阐明了 SERS活性基底的增强原理,表面修饰的铝氧阴离子能有效地调节基底与分析分子之间的相互作用,使分析分子在基底表面呈现平躺构型,利于基底与分析物之间发生电荷转移,这是化学增强机制的一种体现。发现了铝氧阴离子修饰的Ti3C2基底因其低的粗糙度以及均匀的表面和电荷而使其在SERS应用中展现出良好的均匀性、再现性以及稳定性。本研究证实了表面修饰是提高SERS效应的一种可行性方案,解决了传统SERS基底检测限低、均匀性差、再现性差和稳定性差的问题。(4)表面修饰的Ti3C2对SERS检测分子的固有指纹保持研究了表面结构对分析分子取向的影响,发现了分析分子在铝氧阴离子修饰的Ti3C2基底上采用与空白基底相类似的平躺构型,而在OH/F修饰的Ti3C2基底上采用侧卧的构型;阐明了基底与分析分子之间的相互作用强度,由于F基团与亚甲基蓝分子中的S原子相互排斥,导致OH/F修饰的Ti3C2与分析分子的作用强度远小于铝氧阴离子修饰的Ti3C2;发现了采用与空白基底上相类似的构型是保持分析分子固有指纹特征的重要因素。此外,发现铝氧阴离子修饰的Ti3C2基底对不同种类的有机染料和微量有害化合物也表现出良好的SERS性能,并对R6G分子具有强烈的荧光抑制作用。这项工作解决增强基底干扰分析分子固有结构和构象而导致检测失真的问题,为二维纳米材料在SERS中的应用引入了一个新视角。