摘要
化学方法制备的大尺寸二维纳米材料单层，如二硫化钼（MoS2），为纳米光学、纳米电子学和纳米磁学领域按需应用提供了巨大机会。然而，缺陷（尤其是晶界（GBs）的存在严重影响了基于MoS2的器件在光学和电子学方面的性能。尽管电子显微镜、光学显微镜等技术在成像晶界方面取得了显著进展，但对纳米尺度晶界的标记仍然面临重大挑战。为此，我们提出了一种简单、快速且高效的方法，该方法基于肽吸附和聚集的表面行为来标记化学制备的MoS2多晶单层（CG-MoS2-PM）中的纳米尺度晶界。不同的肽序列（长度、电荷）通过肽结合和组装显示出相同的标记能力，表明了该方法的稳健性和前景广阔。此外，该方法能够同时识别多晶单层和多层结构中的晶界。这项工作将为评估CG-MoS2-PM的质量提供另一种策略，从而促进基于二维材料的纳米器件的广泛应用。
1 引言
除了石墨烯之外，二维过渡金属硫属化合物（TMDs）如MoS2、WS2和MoSe2也因其在从体相到单层转变过程中带隙从间接带隙变为直接带隙而受到广泛关注[1, 2]。这种转变赋予了它们卓越的光学和电子特性，使其非常适合用于各种纳米器件应用[3-5]。其中，六方层状的MoS2作为代表性的TMD材料之一，由一层钼夹在两层硫之间，形成三角棱柱状晶格[1]。通过化学气相沉积（CVD）技术制备的MoS2单层及其他原子材料的最新进展[6-10]为纳米光学、纳米电子学和纳米磁学领域的按需应用打开了广阔前景。然而，实验研究表明，化学制备的大面积MoS2单层中存在晶界（GBs）[8, 11-17]。晶界会经历结构和电子重构，显著影响材料质量。例如，在CVD制备的MoS2中，晶界和边缘的光学响应与基面存在显著差异，因为它们集中了缺陷、应变和局部电荷不均匀性[18]。空间光致发光（PL）和纳米光学成像通常显示许多晶界的PL强度降低且寿命缩短，这与非辐射复合增强有关。不过，响应可能依赖于晶界类型（某些晶界结构可以在局部增强PL）。在片材边缘附近，高分辨率光学研究揭示了一个能量无序的区域（宽度约数百纳米），其激子弛豫和发射特性与内部区域不同，且边缘PL对环境条件下的吸附/光化学反应非常敏感。通过扫描隧道显微镜（STM）、电子显微镜（EM）[8, 11]以及各种线性和非线性光学方法[12, 14, 17, 19]实现了晶界的可视化。最近还报道了一些新的晶界表征方法，如拉曼光谱[20-23]。尽管这些方法有效，但往往需要复杂的成像条件优化，涉及MoS2转移过程[8, 11]，空间分辨率较低[14, 16]，或者遇到晶粒间大晶轴旋转的问题[15]。最近，将二维纳米材料单层（SL）与DNA、酶和蛋白质等生物分子结合，开发出了具有生物传感[24-26]、生物医学[27, 28]和生物电子学[29]应用前景的混合纳米材料。特别是，由蛋白质功能衍生的构象特征遗传编码的肽由20-30个氨基酸组成。具有特定序列的肽能够在基底上结合并依次形成定向良好的肽超分子阵列（pSMAs）[30-32]。我们之前的研究使用了一种结合石墨的肽突变体（P1: IMVTASSAYDDY）、一种类似丝胶的肽（P2: Y(GA)3Y）和一种从头设计的肽（P3: PKFKIIEFEP），证明了这些肽能够在固体上形成有序的纳米结构[33-35]。基底晶格决定了pSMAs的优先取向，建立了纳米材料晶格与pSMAs单元格之间的结构关联[33]。因此，CVD制备的二维纳米材料多晶中两个晶粒之间的相对旋转角度会导致pSMAs的不同取向。当两个晶粒的pSMAs在晶界附近相遇时，这种取向差异可用于揭示晶界位置。此外，肽在缺陷区域（如位错或晶界）的吸附和聚集步骤非常容易发生。因此，我们利用肽的这两个代表性表面特性，旨在提供一种替代策略来揭示纳米材料的晶界，以促进高质量纳米器件的应用。在本研究中，我们提出了一种简单、快速且高效的方法，使用一种识别肽来标记和识别化学制备的MoS2多晶单层（CG-MoS2-PM）中的纳米尺度晶界。含有不同长度和电荷的肽序列（P1、P2、P3）以及各种CG-MoS2-PM形状的实验表明，我们的策略具有很高的稳健性。肽与底层MoS2晶格之间的非共价耦合相互作用，以及pSMAs在CG-MoS2-PM上的特定晶体学取向，使得在肽吸附和聚集过程中能够识别晶界。
2 结果
2.1 CG-MoS2-PM晶界的表征及肽的自组装
CG-MoS2-PM是使用成熟的CVD工艺[36, 37]合成的，该工艺常用于生产大规模、原子级薄的二维纳米材料。光学显微镜（OM）图像（图1A；图S1A）显示了多种晶粒形状，包括领结形、蝴蝶形、忍者星形和莲花形，相应的PL图像（图1B和图S2）进一步证实了这一点。值得注意的是，PL成像显示了线性和非线性晶界的存在，且这些晶界的发光强度增强。然而，OM识别的晶界分辨率不够高。此外，我们对裸露的CG-MoS2-PM样品进行的AFM测量显示了不可见和可见的晶界（图S1B）。文献中广泛报道了通过原子力显微镜（AFM）测量可见的晶界[23]。然而，不可见的晶界需要通过适当的方法来揭示。因此，我们引入了一种基于肽自组装的方法来高分辨率地标记晶界，具体内容将在后续章节讨论。图1展示了CG-MoS2-PM的OM和PL图像，以及肽在MoS2表面结合和组装的概念。（A）OM观察到的CG-MoS2-PM的不同形态；（B）显示晶界的CG-MoS2-PM的PL图像；（C）肽（P1、P2和P3）结合和组装的动力学示意图，展示了从纳米点（NDs）到纳米簇（NCs）再到有序纳米线（NWs）的结构变化。最右侧的面板展示了通过时间延迟AFM测量观察到的肽在MoS2表面结合和组装的真实形态。图1C的示意图展示了肽在MoS2上的经典自组装过程，包括三个关键表面行为：吸附（结合）、扩散和组装（排序）。选择了三种肽P1、P2和P3，其中P1是从遗传选择的结合石墨的肽突变体中得到的，P2和P3是合成和从头设计的肽[34, 35]。这些肽的基本信息在图S3中详细说明。通过AFM呈现的3D地形图像（图1C）捕捉到了通过肽在MoS2基底上的成核和生长步骤形成的纳米点（NDs）、纳米簇（NCs）和纳米线（NWs）。这些长程有序的pSMAs表现出三种优选取向，反映了底层MoS2晶格的固有三重对称性。这种行为类似于无机系统中的外延生长。pSMAs的方向排列归因于pSMAs单元格与底层MoS2晶格之间的纳米级结构相关性，这种相关性由晶格匹配机制决定其最终排列[32, 33]。在多晶无机材料中，晶界具有两个显著特征：（i）晶界具有高能量状态，使其成为外部原子或分子成核和附着的理想位置；（ii）相邻晶粒之间的晶界通常表现出原子晶格的错位或扭转角度。这些特性为利用二维纳米材料与肽之间的相互作用来标记CG-MoS2-PM中的晶界提供了独特机会。具体来说，肽可以在早期成核阶段优先结合到晶界，而pSMAs可以在后期生长阶段沿晶界组装和延伸，从而实现有效的可视化和表征。
2.2 通过肽吸附标记CG-MoS2-PM的晶界
通过AFM测量（图2A，白色箭头）清晰地可视化了用P1肽（0.5 µM）修饰的CG-MoS2-PM样品中的非线性晶界。请注意，本工作中所有CG-MoS2-PM样品的AFM图像都是从原始图像处理后的结果（见图S4中的示例）。除了晶界位置外，还发生了部分肽的组装。对晶界两侧六条线的高度剖面进行定量分析，结果显示结合肽的高度为1.1 ± 0.2 nm（图2B），这与非晶界区域结合肽纳米点（NDs）的高度一致（图2A,B,L1）。此外，我们在其他具有领结形、蝴蝶形和随机形状的CG-MoS2-PM样品上也观察到了相同的肽吸附行为（图S4A），AFM图像直接显示了线性或非线性的肽修饰晶界（红色箭头），如相应的示意图所示。图2展示了通过肽结合可视化CG-MoS2-PM的晶界。（A）显示不同CG-MoS2-PM样品中P1肽在晶界结合的AFM图像；（B）显示晶界处P1肽结合的高度剖面。样品大小（n）为6。为了排除特定肽序列对标记晶界的影响，并提高肽识别CG-MoS2-PM晶界的可靠性，我们进一步考虑了不同肽序列和电荷效应。与两种带负电荷的P1肽不同，我们研究了具有中性电荷的P2和P3肽（图3A–C），并给出了肽序列的净电荷值。有趣的是，即使在肽浓度为0.25和0.5 µM时，AFM成像仍能清晰地分辨出CG-MoS2-PM样品的晶界（图3D,E，箭头所示，图S5）。同样，测量CG-MoS2-PM样品中晶界区域内外P2和P3肽的结合高度几乎相同（图3F）。基于上述结果，我们发现肽在早期成核阶段的吸附可以标记CG-MoS2-PM的晶界。此外，肽序列和电荷对标记CG-MoS2-PM的晶界没有偏见。图3展示了肽序列对可视化CG-MoS2-PM样品晶界的总净电荷效应。（A–C）P1、P2和P3的净电荷变化及其pH值；（D,E）显示CG-MoS2-PM样品中0.25 µM P2和0.5 µM P3肽在晶界结合的AFM图像；（F）显示P2和P3肽在晶界结合的高度剖面及其横向尺寸。（G）显示用P1、P2和P3肽修饰的CG-MOS2晶界的横向尺寸分布。P1、P2和P3的样品大小分别为20、20和10。然后，我们通过对晶界两侧高度剖面的半高全宽进行统计分析，量化了被吸附肽修饰的晶界的横向尺寸。用P1和P2肽修饰的晶界的横向尺寸范围为8至40 nm（图3G；图S4–S8）。而用P3肽修饰的晶界的横向尺寸稍大，范围为40至85 nm。这些观察到的晶界横向尺寸远大于STEM和模拟揭示的实际晶界尺寸[11, 38]。这是合理的，因为肽在晶界顶部吸附时倾向于通过成核热力学和动力学形成纳米簇（图1C）。实际上，我们还在非晶界区域观察到了纳米簇（图3D,E，白色NDs）。这些结果表明，肽结合提供了一种高效的策略，可以以纳米级分辨率标记和识别CG-MOS2-PM样品的晶界，远超OM的成像分辨率（图1B）。
2.3 通过肽组装标记CG-MoS2-PM的晶界
接下来，我们展示了肽在最终生长阶段的长程有序特性，使我们能够可视化CG-MOS2-PM样品的晶界。在讨论这一点之前，我们展示了通过肽在CG-MoS2单晶单层上的组装所形成的pSMAs的独特晶体学取向，包括P1（0.25 µM）、P2（0.5 µM）和P3（0.5 µM）肽。有序的pSMAs与CG-MOS2单晶的锯齿状边缘（8, 33）的交角分别为33°、0°和24.5°（35.5°）（图4A；图S9）。这些特定的pSMAs晶体取向是由pSMAs的重复单元格与底层MoS2晶格之间的结构相关性决定的，这一过程被称为“晶格匹配”机制[32, 33]。例如，描述P1肽在MoS2晶格上组装的晶格匹配的示意图如图S10所示。如前所述，CG-MoS2-PM样品中的一个晶粒通常与同一样品中的另一个晶粒具有不同的扭曲角度偏移。肽在MoS2表面的独特晶体取向会导致来自两个晶粒的pSMAs在晶界（GBs）位置相遇。这两个晶粒表面的pSMAs也具有与底层CG-MoS2-PM相同的扭曲角度偏移。原子力显微镜（AFM）结果（图4B）显示，P1肽在CG-MoS2-PM的晶界两侧组装成有序的pSMAs。放大的AFM图像显示，来自两个晶粒的pSMAs（红色和蓝色虚线）在晶界处延伸并相遇，其中CG-MoS2-PM的晶粒1和2的pSMAs具有7°的扭曲偏移角度。根据晶界两侧pSMAs取向的显著差异，通过肽的组装实现了晶界的可视化（由绿色曲线表示）。通过检查其他具有不同扭曲偏移角度的CG-MoS2-PM样品，也发现了相同的肽组装结果（图4C；图S11）。值得注意的是，自组装的肽结构域也可以形成晶界（图S12）。然而，在肽结构域之间，由于底层基底的对称反射，存在一个独特的60°角度。因此，可以区分底层CG-MoS2-PM的晶界和由肽结构域形成的晶界。
通过肽组装揭示CG-MoS2-PM的晶界。(A) 沿着底层MoS2晶格特定取向的pSMAs。P1 pSMAs与之字形边缘有33°的偏移角度；使用了0.25 µM的肽浓度。(B) 组装P1肽（1 µM），标记出具有7°扭曲角度的晶界。(C) 由肽标记的CG-MoS2-PM的扭曲角度。(D) 组装P2肽（1 µM），标记CG-MoS2-PM样品的线性和弯曲晶界。文献中报道，肽的组装，包括其形态和结构，可以受到肽序列和电荷的影响[39, 40]。与前面章节中的肽吸附类似，我们还研究了P2和P3肽在标记CG-MoS2-PM样品晶界时的有序性。AFM图像显示，P2和P3肽在CG-MoS2-PM样品上形成了有序的pSMAs（图4D；图S13和S14）。放大图像显示，线性和弯曲的晶界（用“T”形表示）被沿不同方向定向的pSMAs清晰地识别出来。定量分析表明，从CG-MoS2-MP的第1行组装的P3肽的高度剖面显示MoS2单层厚度为0.7 nm（图S14）。而第2行和第3行的高度剖面显示晶界处没有结合肽，因为它们的高度与裸露的MoS2单层相同。第4行的高度剖面显示了0.4 nm的小高度差异，表明晶界处的结合肽与非晶界区域的组装肽之间存在高度差异。这些结果可能表明，最初在晶界结合的肽会随着时间的推移而脱附并参与肽的组装。此外，高度剖面还提供了晶界的横向尺寸，范围从14.9到38.8 nm（图S15），这与肽在晶界结合的结果一致（图2G）。因此，根据这些结果，建议肽组装是标记CG-MoS2-PM晶界的第二种策略。正如对CG-MoS2合成的调查所示，已经实现了MoS2的晶圆级尺寸[41, 42]。利用肽的结合和组装，可以区分单晶和多晶材料的大尺寸。我们还表征了在大于10 µm大小的MoS2单层上的肽自组装，以区分单晶和相应的多晶材料（图S16和S17）。
3 讨论
在这里，我们讨论了我们的实验观察结果。在二维纳米材料单层以外的无机物中，如石墨烯（半金属）、MoS2、WSe2和WS2（半导体）以及氮化硼（绝缘体）中普遍存在晶界（GBs），它们会对二维材料的性质造成严重损害，影响其在光学、电子学和其他方面的性能。肽的自组装，包括吸附和聚集行为，提供了一种直接标记晶界的替代且有效的方法（图5A,B）。在我们的工作中，P1、P2和P3肽在pH = 7.4条件下的总净电荷分别为-2、0和0，其中P3肽包含+2和-2电荷的氨基酸。因此，结果表明，通过肽的自组装来标记晶界的方法是普遍适用的。通过检查不同的CG-MoS2形状，证明了这种策略的稳健性。一旦晶界由两个相邻的晶粒形成，肽的结合行为可以用于所有类型的多晶形状。作为纳米晶体（NCs）的肽分子针对具有纳米级宽度的晶界高能状态。在肽组装的情况下，标记晶界受到底层两个MoS2晶粒之间取向关系的限制，这要求它们在形成晶界时具有旋转角度。例如，对称的CG-MoS2-PM形状在两个MoS2晶粒上不会显示出pSMAs的明显取向。然而，肽的结合行为可以弥补这一点。在肽自组装从初始结合到早期和成熟生长的动态演变过程中，晶界可以通过时间延迟的体外AFM图像很好地可视化（图5C）。控制孵育时间和优化肽浓度是调节肽结合和组装行为的两个关键参数。所有三种选定的肽都显示出相同的结合特征，尽管它们的电荷和组成有所不同。需要注意的是，对于标记不同二维纳米材料的晶界，需要通过滴铸实验来优化肽的成核和生长，以诱导结合和聚集。
通过结合和组装肽在CG-MoS2-PM上识别晶界。(A,B) 通过早期阶段的结合和最终阶段的组装在MoS2晶格上识别晶界的示意图模型。(C) 从肽结合到在CG-MoS2单层上组装肽的时间演变，多晶标记晶界。(D) P1在CG-MoS2表面的SL和DL上的自组装的拓扑图像。(E) MoS2 DL在SL上的模型以及晶界处排列良好的P1肽。在肽结构有序的情况下，肽重复单元格在MoS2基底原子晶格上的特定手性识别有助于它们在CG-MoS2-PM每个晶界周围形成的独特晶体取向。肽纳米线（pNWs）具有由晶格匹配机制控制的特定取向角度[32, 33]，其中肽组装的重复单元格需要与底层基底的原子晶格匹配。因此，由P1、P2和P3肽形成的pNWs在MoS2基底上具有特定的晶体取向。考虑到MoS2的多晶性，MoS2多晶的两个晶域通常具有扭曲角度。pNWs的特定晶体取向使它们能够在具有相同扭曲角度的位错缺陷周围合并。此外，我们还想强调，对于位错缺陷，肽的结合行为在识别晶界方面起着重要作用，如图2所示。肽的吸附和聚集都可以用于标记晶界。在我们的实验观察中，我们发现了一种通过逐层方式形成的第二种类型的晶界（图5D）。在CVD过程中，MoS2 SL上合成了一个六边形的小MoS2域作为双层（DL）（见插图高度剖面）。从MoS2-SL组装的肽形成了良好的六边形排列方向，如彩色箭头所示，沿着MoS2-DL的边缘（图5E）。在MoS2-DL表面上，pSMAs形成了无序的结构。肽组装的结构有序性和无序性也有助于区分多层多晶材料。通过结合肽标记的晶界的横向尺寸可能在14.9到38.8 nm之间（图S15），这与肽在晶界结合的结果一致（图2G）。因此，根据这些结果，建议肽组装提供了标记CG-MoS2-PM晶界的第二种策略。正如对CG-MoS2合成的调查，已经实现了MoS2的晶圆级尺寸[41, 42]。利用肽的结合和组装，可以区分单晶和多晶材料的大尺寸。
4 结论
在这项工作中，我们利用肽的吸附和聚集特性来标记CG-MoS2-PM的晶界（GBs）。发现肽对不同序列的GBs都有标记能力，无论是带电的还是不带电的。能够识别不同形状的CG-MoS2-PM的GBs，表明了我们策略的稳健性。此外，还通过肽组装揭示了CG-MoS2多晶体的GBs。这项工作对于揭示其他新兴二维纳米材料（如WS2、BN或通过化学生长合成的石墨烯）的GBs将非常有帮助。在研究肽标记时，其他二维纳米材料的GBs需要新的探索和条件优化。因为不同的二维纳米材料具有不同的表面化学性质、晶格结构和缺陷类型。例如，与石墨烯表面相比，MoS2表面相对亲水。此外，MoS2的晶格常数（0.317 nm）显著大于石墨烯的晶格常数（0.246 nm）。这些化学和物理性质的差异会影响肽的结合和聚集特性，即晶体取向[47]。这些未经测试的实验将在我们未来的工作中进一步研究。更重要的是，它将为检查CG-MoS2-PM的质量提供另一种策略，促进未来基于高质量二维材料的纳米器件的潜在应用。
5 方法
5.1 样品制备程序
在这项工作中，使用通过CVD方法[36, 38]合成的SL三角形MoS2多晶作为基底，用于观察GBs中的肽结合和组装特性。肽粉末（纯度>95%），包括P1、P2和P3肽，由GL Biochem（上海）有限公司提供。每种肽的分子量和纯度分别通过质谱法和高效液相色谱法进行了确认。肽溶液的浓度范围为0.1–1.0 µM，是通过将不同量的肽粉末溶解在纯水中（Millipore Corp.，25°C时电阻率为18 MΩ cm）制备得到的。制备好的溶液在用于原子力显微镜（AFM）成像前被储存在-80°C的环境中。选择这些特定浓度的肽是因为它们能够在MoS2表面形成长而有序的纳米线网络（pNWs），并且具有足够的表面覆盖率。浓度过低或过高会导致形成无序的纳米结构（NCs）或方向不确定的短纳米线。
5.2 原子力显微镜（AFM）测量程序
在AFM测量之前，将储备的肽溶液加热至室温，然后从0.1至5 µM浓度的每种肽溶液中取120 µL滴到CG-MoS2-PM表面上。样品制备在湿度可控的腔室中进行，温度保持在室温下，时间为1小时。随后，对于离体AFM测量，样品用温和的氮气吹干。在干燥条件下，肽的自组装形态通过商用AFM设备（Oxford Instruments，Asylum Research）在交流模式（AC mode）下进行表征。所使用的硅悬臂梁的共振频率为300 ± 100 kHz，弹簧常数为26 N/m，扫描速度约为1.5–3 Hz，探针半径为10 ± 2 nm。
5.3 数据分析程序
AFM数据使用商用软件（WSxM 5.0 Develop 10.2）进行分析。自组装肽的覆盖率是依据之前介绍的Gwyddion SPM数据分析软件来确定的。
5.4 光致发光（PL）图像测量
CG-MoS2单层的PL图像是通过带有CCD相机的逆向光学显微镜系统（Oxford Instruments）拍摄的。这些PL图像的曝光时间为1–3秒，激发功率为300–600 µW。
5.5 统计分析
图3G中的数据采用非配对t检验进行分析，并以平均值±标准差的形式呈现。p值小于0.05被视为具有统计显著性。
致谢
本研究得到了金泽大学WPI Nano LSI提供的科学研究资助（C类项目，项目编号JP25K08704）（L.S.）和跨学科研究促进基金（L.S.）的支持。我们感谢Hayamizu Yuhei教授在CVD MoS2样品合成方面提供的技术支持。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
数据可用性声明
支持本研究结果的数据可在本文的补充材料中找到。
