Наностержни сульфиодида висмута (BiSI): синтез, характеристика и применение в фотодетекторах

Jun 23, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8800 (2023) Цитировать эту статью

1005 доступов

Подробности о метриках

Наностержни сульфиодида висмута (BiSI) были синтезированы при относительно низкой температуре (393 К) мокрым химическим методом. Кристаллическая одномерная (1D) структура наностержней BiSI была подтверждена с помощью трансмиссионной микроскопии высокого разрешения (HRTEM). Морфологию и химический состав материала исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) соответственно. Определены средний диаметр наностержней BiSI 126(3) нм и длина 1,9(1) мкм. Рентгеновская дифракция (XRD) показала, что полученный материал состоит из основной орторомбической фазы BiSI (87%) и незначительного количества гексагональной фазы Bi13S18I2 (13%) без присутствия других остаточных фаз. Ширина запрещенной зоны прямой энергии 1,67(1) эВ была определена для пленки BiSI с помощью спектроскопии диффузного отражения (DRS). Из наностержней BiSI были построены фотодетекторы двух типов. Первым из них было традиционное фотопроводящее устройство на основе пленки BiSI на жесткой стеклянной подложке, оснащенное Au-электродами. Влияние интенсивности света на реакцию фототока на освещение монохроматическим светом (λ = 488 нм) изучали при постоянном напряжении смещения. Новое гибкое фотозаряжаемое устройство стало вторым типом готовых фотоприемников. Он состоял из пленки BiSI и слоя гелевого электролита, зажатого между подложками из полиэтилентерефталата (ПЭТ), покрытыми электродами из оксида индия и олова (ITO). Гибкий фотодетектор BiSI с автономным питанием демонстрировал фотонапряжение холостого хода 68 мВ и плотность фототока короткого замыкания 0,11 нА/см2 при освещении интенсивностью 0,127 Вт/см2. Эти результаты подтвердили высокий потенциал наностержней BiSI для использования в фотодетекторах с автономным питанием и фотозаряжаемых конденсаторах.

Сульфиодид висмута (BiSI) представляет собой тройной полупроводник, принадлежащий к семейству неорганических материалов халькогалогенидов1,2. Кристаллическая структура BiSI описывается ромбической пространственной группой Pnam3,4. Этот материал вырастает в объемные кристаллы игольчатой ​​формы5,6,7, одномерные (1D) микростержни8,9, наностержни10,11,12,13,14 и нанопроволоки15. Кристаллы BiSI состоят из двойных цепей [(BiSI)∞]2, связанных между собой слабыми взаимодействиями Ван-дер-Ваальса1,16. Цепочки ориентированы вдоль оси c, т.е. в направлении [001]5,13,17. Следовательно, этот материал обладает сильно анизотропными оптическими и электрическими свойствами. BiSI представляет собой полупроводник n-типа8,9,18,19 с шириной запрещенной зоны в широком диапазоне от 1,5 эВ20 до 1,8 эВ15,21,22. BiSI считается эффективным поглотителем солнечной энергии для фотоэлектрических устройств8,21. Он был продемонстрирован как превосходный фотопроводник с большим коэффициентом усиления фотопроводимости17,23. Более того, он имеет небольшую эффективную массу электронов и дырок, что полезно для его использования в детекторах излучения при комнатной температуре1,24. BiSI также является сегнетоэлектриком25,26,27. Недавно была обнаружена собственная сверхнизкая решеточная теплопроводность ромбического BiSI, что позволяет предположить, что это соединение перспективно для термоэлектрических применений28. До сих пор о BiSI сообщалось как об превосходном материале для использования в высокопроизводительных фотодетекторах17, солнечных элементах2,9,11,13,20,29,30, фотоэлектрохимических элементах8,19,31, суперконденсаторах3,4,32,33, перезаряжаемых батареи16, детекторы ионизирующего излучения при комнатной температуре10,12, фотокаталитическое разложение органических загрязнителей15,34,35 и производство водорода36.

BiSI может быть изготовлен с использованием различных подходов, включая твердотельный механохимический метод37,38, гидротермальный рост22,34,35,39, сольвотермический синтез10,12,14,18, метод осаждения из раствора32, коллоидный метод19, термолиз20, рост из паровой фазы5,6 и сульфурирование оксида висмута (BiOI) в присутствии разбавленного газообразного H2S посредством анионного обмена кислорода с серой17,31. Обычно синтез наностержней BiSI сопровождается образованием минорной фазы стержнеобразного Bi13S18I218 или листового BiOI32, в зависимости от применяемого метода изготовления. Ли и его коллеги18 продемонстрировали, что BiSI можно синтезировать при низком соотношении серы и висмута. При значительном увеличении этого параметра BiSI преобразуется в Bi13S18I2. Многие из вышеупомянутых методов изготовления приводят к образованию текстурированных тонких пленок со случайной ориентацией кристаллов40. Одномерные микроструктуры BiSI растут и в естественной среде. BiSI известен также как минерал демишелеит-(I). В 2010 году он был обнаружен в кратере Ла Фосса на острове Вулкано (Италия)41.