二硫化钨（WS₂）是一种典型的过渡金属硫族化合物（TMDCs），由S-W-S三层原子通过共价键连接形成一个“三明治”结构，而层与层之间仅通过弱的范德华力堆叠。

• 层数依赖的间接-直接带隙跃迁: 这是WS₂纳米片最核心、最重要的特性。
  • 块材 (多层): 块材或多层WS₂是一种间接带隙半导体，其带隙约为1.4 eV。
  • 单层 (Monolayer): 当WS₂被剥离至单层时，由于量子限域效应，其能带结构会发生重构，从间接带隙转变为直接带隙半导体，其带隙增大至约2.0 eV。这一跃迁使其发光效率（荧光量子产率）急剧提升数个数量级，从几乎不发光变为高效的红光发射体。
• 巨大的激子束缚能与强自旋-轨道耦合: 这是WS₂相比于MoS₂的独特优势。由于钨（W）是重元素，单层WS₂具有极强的自旋-轨道耦合（~400 meV），这导致其激子束缚能极大（~0.3 eV）。这意味着其激子在室温下极其稳定，使其成为研究激子物理和构建激子型光电器件（如激子LED、激子激光器）的理想平台。
• 优异的电学性能: 单层WS₂具有可观的载流子迁移率和巨大的开关比（>10⁶），是继石墨烯之后，最有希望用于构筑下一代超薄、柔性晶体管的二维半导体材料。

对于WS₂纳米片，其性能调控的核心是通过掺杂来调控其电学性质，或通过相工程来改变其本征属性。

目标: 调控WS₂的载流子类型和浓度。

• p型掺杂: 通过在CVD生长过程中或后处理中引入铌（Nb）或钒（V）等V族元素，可以取代W的位置，从而实现p型掺杂。
• n型掺杂: 通过引入铼（Re）等VII族元素，可以取代W的位置，从而实现n型掺杂。

目标: 将半导体性的2H相转变为金属性的1T相。

• 原理: WS₂存在两种主要的相：热力学稳定的、半导体性的2H相（三棱柱配位）和亚稳态的、金属性的1T相（八面体配位）。
• 相变方法: 通过锂离子插层剥离、等离子体处理或应力诱导等方法，可以实现从2H相到1T相的可控转变。
• 优势: 金属性的1T相WS₂具有极高的电导率，是构建高性能电催化剂和超级电容器电极的理想材料。

二硫化钨（WS₂）纳米片是电催化析氢反应（HER）领域最有前途的非贵金属催化剂。

这是WS₂纳米片在催化领域最核心、最重要的应用，旨在替代昂贵的铂催化剂。

• 活性位点: 理论计算和实验均表明，WS₂的HER催化活性位点并非其化学惰性的基面（basal plane），而是其边缘位点（edge sites）。
• 纳米片的优势: 将块材WS₂剥离成纳米片，可以极大地增加其比表面积和边缘位点的暴露数量，从而使其HER催化活性被急剧放大。
• 相工程增强活性: 金属性的1T相WS₂由于其优异的导电性和更优化的氢吸附自由能，其HER催化活性远高于半导体性的2H相。

二硫化钨（WS₂）纳米片凭借其独特的近红外光学特性和巨大的比表面积，在生物传感和成像领域是一种极具潜力的多功能平台。

单层WS₂纳米片（或量子点）在~630 nm处具有直接带隙荧光，这使其可作为一种红光荧光探针，用于生物成像。

这是WS₂纳米片在生物传感中最核心、最广泛的应用。

• 原理: WS₂纳米片是一种极其高效的宽谱荧光猝灭剂。它可以通过荧光共振能量转移（FRET）或光诱导电子转移（PET）机制，高效地猝灭附近几乎所有荧光染料或量子点的荧光。
• “关-开”式传感器: 可以构建“关-开”式传感器，用于检测目标DNA序列、蛋白质、金属离子等。

二硫化钨（WS₂）纳米片因其巨大的比表面积和独特的近红外光学特性，在药物递送和肿瘤治疗领域展现出巨大的应用潜力。

WS₂纳米片的二维平面结构和表面化学使其成为一种理想的药物递送平台。

• 超高载药量: WS₂纳米片的两个表面都可用于负载药物，其理论载药量极高。它特别适合于通过π-π堆积作用，高效负载具有芳香环结构的化疗药物（如阿霉素DOX）。

WS₂纳米片在近红外（NIR）光区具有宽谱的、强烈的吸收。

• 原理: 当近红外激光照射时，富集在肿瘤部位的WS₂纳米片吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: 相比于贵金属等光热剂，WS₂具有成本低、生物相容性好、载药能力强的优点，是构建光热-化疗协同治疗平台的理想选择。

二硫化钨（WS₂）纳米片的生物安全性是一个需要重点关注的问题，其毒性高度依赖于其横向尺寸、表面化学、纯度和剂量。

• 物理损伤: 大尺寸、边缘锋利的WS₂片可能会像“纳米刀片”一样，通过物理切割的方式破坏细胞膜的完整性。
• 氧化应激: 这是WS₂最主要的细胞毒性机制。进入细胞后，WS₂可以诱导产生大量的活性氧（ROS），引发剧烈的氧化应激。

• 生物降解性: WS₂被认为具有一定的可生物降解性。研究发现，在髓过氧化物酶（MPO）等生物酶的作用下，WS₂可以被缓慢地氧化降解为毒性较低的钨酸盐和硫酸盐。
• 清除: 尺寸较小、经过PEG化修饰的WS₂纳米片可以被机体有效清除。

高质量、层数可控的二硫化钨纳米片的制备是其走向应用的基础，目前主流的合成方法分为“自上而下”和“自下而上”两类。

这类方法从三维的块状WS₂晶体出发，通过物理或化学手段将其剥离成单层或少数层的纳米片。

• 液相剥离法 (LPE): 这是目前实现WS₂纳米片大规模、低成本生产的最主要方法。
  1. 将块状的WS₂粉末分散在一种具有合适表面张力的溶剂中（如NMP, DMF）。
  2. 通过强力超声或剪切处理，利用溶剂分子产生的巨大剪切力来克服层间的范德华力，将块状晶体剥离成单层或少数层的纳米片，形成稳定的分散液。

这类方法从原子或分子级别的钨源和硫源出发，通过化学反应“生长”出WS₂。

• 化学气相沉积 (CVD): 这是制备高质量、大面积、单层WS₂薄膜的金标准方法。通过在高温下，使气相的钨前驱物（如WO₃）和硫前驱物（如硫粉）在特定的基底（如SiO₂/Si, 蓝宝石）上反应，可以生长出大面积、高质量的单层WS₂三角岛或连续薄膜。

对二硫化钨纳米片（WS₂ NSs）的精确表征是确认其层数和理解其独特性质的关键。

• 拉曼光谱 (Raman): 这是表征WS₂层数的最重要、最快捷、无损的技术。
  • E¹₂ɢ和A₁ɢ峰: WS₂的拉曼光谱有两个特征峰：面内振动模式E¹₂ɢ（~356 cm⁻¹）和面外振动模式A₁ɢ（~417 cm⁻¹）。
  • 频率差 (Δω): 这两个峰之间的频率差（Δω = ω(A₁ɢ) - ω(E¹₂ɢ)）与层数严格相关。对于单层WS₂，Δω约为61 cm⁻¹。通过测量Δω，可以快速、无损地判断其层数。
• 光致发光光谱 (PL): 这是鉴定单层WS₂的另一个关键证据。只有单层WS₂在~630 nm（1.97 eV）处有一个极其强烈的带边激子发光峰，而双层及多层WS₂的荧光则会急剧猝灭。
• 原子力显微镜 (AFM): 用于精确测量WS₂的厚度，以确认其为单层（厚度~0.7 nm）或少数层结构。

二硫化钨纳米片的表面工程是其实现所有应用（特别是生物医学和催化应用）的前提，其核心任务是改善其水分散性和引入功能性基团。

这是一种温和、不破坏WS₂完美sp²结构的修饰方法，旨在通过物理吸附实现其在溶液中的稳定分散。

• 聚合物包裹: 利用聚乙二醇（PEG）衍生物或其它两亲性聚合物，通过疏水相互作用吸附在WS₂纳米片的表面，亲水端朝外，从而实现其在水中的稳定分散和生物相容性的提升。
• 生物大分子包裹: 利用DNA、蛋白质、多糖等生物大分子，通过π-π堆积或疏水相互作用，吸附在WS₂表面，同样可以实现高效、生物相容的分散。

目标: 在WS₂的表面共价连接上稳定的化学官能团。

• 基于缺陷的功能化: WS₂的化学反应活性主要集中在其边缘和硫空位等缺陷位点。利用这些位点的反应活性，可以通过硫醇化学等方法，将功能性分子共价地连接上去。