过渡金属硫属化合物，以WS2和MoS2为例，通过其可调的带隙和出色的激子特性，彻底改变了光电和光催化设计[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。将TMDC单层与TiO2（能量转换的基石材料）结合，为界面电荷转移提供了巨大的潜力，从而提高了太阳能收集和催化效率[6]、[7]、[8]、[9]。特别是，界面电荷转移的调节直接决定了异质结构中功能特性的有效整合和耦合，这突显了需要更可靠的基础模型验证来指导有效的控制策略[10]、[11]、[12]、[13]。然而，传统的模型制备方法主要使用多晶或非晶TiO2基底，无意中掩盖了晶体取向的关键作用——这是异质催化中表面反应性的一个公认决定因素[14]、[15]。即使使用单晶表面，常见的合成路线和转移方法也不可避免地引入了界面杂质，损害了界面的理想性，并导致对异质结相互作用的解释模糊[16]、[17]。
最近的研究强调了TMDCs和TiO2基底之间清晰且定义明确的界面结构对于理解基本界面相互作用的重要性[18]、[19]。使用经过晶面工程处理的TiO2单晶，然后通过化学气相沉积（CVD）方法在其上直接制备TMDC薄膜，为探索这些相互作用提供了一个无界面杂质的平台[20]、[21]。对于在微电子和光电子领域具有广泛实际应用的WS2而言，精确研究晶体取向对WS2/TiO2界面电荷转移的影响可能为调节策略提供新的见解[22]、[23]、[24]。特别是考虑到WS2的高载流子迁移率，这样的研究有望进一步揭示在外部场调制下界面电荷行为的演变[25]、[26]、[27]。然而，不同TiO2晶面的不同反应性为建立统一的WS2/TiO2模型样品合成策略带来了重大挑战。尽管我们具有相关的合成经验，但与我们之前工作中完善的MoS2/TiO2系统不同，WS2/TiO2的一般面依赖性合成参数尚未得到探索[20]、[28]、[29]。这一知识空白阻碍了建立可靠的结构-性质关系以及对WS2/TiO2异质结构中面依赖性电荷调节的基本理解。
在这项研究中，我们构建了一个具有面分辨的模型系统：通过CVD方法在原子级平整的金红石TiO2单晶上生长单层WS2，控制了（1 1 0）、（1 0 0）、（1 1 1）和（0 0 1）晶面。高质量的模型界面显示WS2采用了与TiO2基底相同的原子台阶结构。不同的TiO2晶面具有不同的表面能[30]，这引导了WS2的两种不同生长模式：表面生长和凹陷生长。相比之下，TiO2功函数[31]的面依赖性变化决定了TiO2和WS2之间的电荷转移程度。通过KPFM和PL光谱测量，证明了WS2和TiO2之间界面电荷转移的面依赖性，并且在光激发下这种依赖性仍然存在。相关发现还在MoS2/TiO2模型系统中得到了扩展和验证。这一结果超越了传统的“被动基底”范式，将晶体晶面工程注册为2D材料/氧化物异质结中原子级静电控制的变革性策略。通过这项工作，我们揭示了一种类似S-方案的界面电荷转移机制，实现了光生电子的有效分离[32]、[33]。这一见解不仅推进了对界面现象的基本理解，也为下一代能量转换设备的智能设计铺平了道路，在这些设备中，界面电荷调制决定了最终性能[34]。
