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Jun 19, 2023

Nanorodes de sulfoiodure de bismuth (BiSI) : synthèse, caractérisation et application de photodétecteurs

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 8800 (2023) Citer cet article 1614 Accès aux détails des métriques Les nanorodes de sulfoiodure de bismuth (BiSI) ont été synthétisées à une température relativement basse (393

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8800 (2023) Citer cet article

1614 Accès

Détails des métriques

Les nanorodes de sulfoiodure de bismuth (BiSI) ont été synthétisées à une température relativement basse (393 K) par une méthode chimique humide. La structure cristalline unidimensionnelle (1D) des nanorods BiSI a été confirmée par microscopie à transmission haute résolution (HRTEM). La morphologie et la composition chimique du matériau ont été examinées respectivement par microscopie électronique à balayage (MEB) et spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS). Le diamètre moyen de 126 (3) nm et la longueur de 1,9 (1) µm des nanorodes BiSI ont été déterminés. La diffraction des rayons X (DRX) a révélé que le matériau préparé est constitué d'une phase BiSI orthorhombique majeure (87 %) et d'une quantité mineure de phase hexagonale Bi13S18I2 (13 %) sans présence d'autres phases résiduelles. La bande interdite d'énergie directe de 1,67 (1) eV a été déterminée pour le film BiSI par spectroscopie de réflectance diffuse (DRS). Deux types de photodétecteurs ont été construits à partir de nanorodes BiSI. Le premier était un dispositif photoconducteur traditionnel basé sur un film BiSI sur un substrat de verre rigide équipé d'électrodes Au. Une influence de l'intensité lumineuse sur la réponse du photocourant à un éclairage monochromatique (λ = 488 nm) a été étudiée à une tension de polarisation constante. Le nouveau dispositif flexible photo-chargeable était le deuxième type de photodétecteurs préparés. Il se composait d'un film BiSI et d'une couche d'électrolyte en gel pris en sandwich entre des substrats en polyéthylène téréphtalate (PET) recouverts d'électrodes en oxyde d'indium et d'étain (ITO). Le photodétecteur BiSI flexible et auto-alimenté présentait une phototension en circuit ouvert de 68 mV et une densité de photocourant en court-circuit de 0,11 nA/cm2 sous un éclairage lumineux d'une intensité de 0,127 W/cm2. Ces résultats ont confirmé le potentiel élevé des nanorodes BiSI pour une utilisation dans des photodétecteurs auto-alimentés et des condensateurs photo-chargeables.

Le sulfoiodure de bismuth (BiSI) est un semi-conducteur ternaire qui appartient à la famille des chalcohalogénures de matériaux inorganiques1,2. La structure cristalline du BiSI est décrite par le groupe spatial orthorhombique Pnam . Ce matériau se développe en cristaux massifs en forme d'aiguilles5,6,7, en microtiges unidimensionnelles (1D)8,9, en nanotiges10,11,12,13,14 et en nanofils15. Les cristaux BiSI sont constitués de doubles chaînes [(BiSI)∞]2 liées entre elles par les faibles interactions de Van der Waals1,16. Les chaînes sont orientées selon l'axe c, soit la direction [001]5,13,17. Ce matériau possède donc des propriétés optiques et électriques hautement anisotropes. Le BiSI est un semi-conducteur de type n8,9,18,19 avec une bande interdite d'énergie signalée dans une large plage allant de 1,5 eV20 à 1,8 eV15,21,22. BiSI est considéré comme un absorbeur solaire efficace pour les appareils photovoltaïques8,21. Il a été démontré qu’il s’agit d’un excellent photoconducteur avec un gain photoconducteur important17,23. De plus, il présente une petite masse effective d’électrons et de trous, ce qui est avantageux pour son utilisation dans les détecteurs de rayonnement à température ambiante1,24. Le BiSI est également un matériau ferroélectrique25,26,27. Récemment, une conductivité thermique intrinsèque ultra-faible du BiSI orthorhombique a été révélée, suggérant que ce composé est prometteur pour les applications thermoélectriques . Jusqu'à présent, le BiSI a été signalé comme un excellent matériau à utiliser dans les photodétecteurs haute performance17, les cellules solaires2,9,11,13,20,29,30, les cellules photoélectrochimiques8,19,31, les supercondensateurs3,4,32,33, les cellules rechargeables. batteries16, détecteurs de rayonnements ionisants à température ambiante10,12, dégradation photocatalytique des polluants organiques15,34,35 et production d’hydrogène36.

Le BiSI peut être fabriqué à l'aide de différentes approches, notamment la méthode mécanochimique à l'état solide37,38, la croissance hydrothermale22,34,35,39, la synthèse solvothermique10,12,14,18, la méthode de précipitation en solution32, l'approche colloïdale19, la thermolyse20, la croissance en phase vapeur5,6. , et sulfuration de l'oxyiodure de bismuth (BiOI) en présence de gaz H2S dilué via échange anionique de l'oxygène avec du soufre17,31. Habituellement, une synthèse de nanorodes BiSI s'accompagne de la formation d'une phase mineure de Bi13S18I218 en forme de bâtonnet ou de BiOI32 en forme de feuille, selon la méthode de fabrication appliquée. Li et ses collègues18 ont démontré que le BiSI peut être synthétisé avec un faible rapport soufre/bismuth. Lorsque ce paramètre est augmenté de manière significative, le BiSI est converti en Bi13S18I2. La plupart des méthodes de fabrication mentionnées ci-dessus aboutissent à la formation de films minces texturés avec une orientation cristalline aléatoire40. Les microstructures BiSI unidimensionnelles se développent également dans l’environnement naturel. Le BiSI est également connu sous le nom de minéral demicheleite-(I). En 2010, il a été découvert dans le cratère La Fossa sur l’île Vulcano (Italie)41.