由于其優(yōu)良并易于調(diào)控的特性，層狀鉍基納米材料在光電領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。其中，Bi9O7.5S6材料具有合適的帶隙和能級(jí)結(jié)構(gòu)，在光電檢測(cè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。然而，塊狀Bi9O7.5S6材料受限于其電荷分離效率，光電響應(yīng)性能受限。優(yōu)化Bi9O7.5S6納米材料以提高其光電響應(yīng)是急需解決的問題。
近日，南京工業(yè)大學(xué)呂剛課題組采用簡(jiǎn)單的溶劑熱法成功合成了Bi9O7.5S6納米薄片，并且可以在15-60 nm范圍內(nèi)精確調(diào)控納米片的厚度。SEM和TEM結(jié)果確認(rèn)合成的Bi9O7.5S6納米片的片狀形貌，并確認(rèn)了螺旋位錯(cuò)的存在，表明其生長(zhǎng)過程遵循螺旋生長(zhǎng)機(jī)制。XRD結(jié)果確認(rèn)了納米片屬于具有六方晶系。
圖1.(a-b) Bi9O7.5S6納米片的SEM圖像；(c) Bi9O7.5S6納米片的TEM圖像和SAED圖；(d) Bi9O7.5S6納米片的EDS圖；(e) Bi9O7.5S6納米片的XRD譜圖；(f) Bi9O7.5S6納米片[001]方向的晶體結(jié)構(gòu)投影；紫色、紅色、白色和黃色小球分別表示Bi、O1、O2和S原子。 此外，改變反應(yīng)時(shí)間可以調(diào)控Bi9O7.5S6納米片的大小和厚度。SEM、AFM結(jié)果表明：當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為1 h時(shí)，得到的納米片厚度為15±2 nm，平均大小為4.2±1.2 μm；反應(yīng)時(shí)間為3 h時(shí)，Bi9O7.5S6納米片的厚度為20±3 nm，平均大小為3.3±0.9 μm；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至24 h，Bi9O7.5S6納米片的厚度增至50 nm，平均大小降低到2.0±0.8 μm。該結(jié)果說明Bi9O7.5S6納米片遵循Ostwald熟化機(jī)制進(jìn)行生長(zhǎng)，熟化時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致納米片橫向尺寸減小、厚度增加。 圖2. 反應(yīng)時(shí)間為a,d) 1 h、b,e) 3 h和c,f) 24 h時(shí)得到的Bi9O7.5S6納米片的SEM和AFM圖。(d-f) 圖中的插圖顯示了相應(yīng)納米片的厚度。 該Bi9O7.5S6納米片在可見光和近紅外范圍內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光吸收性質(zhì),可被用于光電響應(yīng)領(lǐng)域。為此,我們將Bi9O7.5S6納米片懸濁液滴涂在叉指電極表面進(jìn)行光電響應(yīng)測(cè)試。在功率密度為0-315 W m-2的白光照射下，器件的光電流隨著光功率強(qiáng)度的增大而增大。在5 V的偏壓下對(duì)器件進(jìn)行間歇性光照，發(fā)現(xiàn)其暗電流僅為9.6 nA,光電流高達(dá)7.15 μA，表明該器件有較優(yōu)秀的光電響應(yīng)。而且，器件對(duì)400-800 nm范圍內(nèi)的光都表現(xiàn)出較敏感的光電響應(yīng)，響應(yīng)度可達(dá)到1140 μA W-1，并且長(zhǎng)時(shí)間工作后性能依然能夠保持穩(wěn)定。這項(xiàng)工作展示了Bi9O7.5S6納米薄片在光電子領(lǐng)域的巨大潛力，未來(lái)也可以將其擴(kuò)展到光伏、超導(dǎo)、太陽(yáng)能電池、熱電等應(yīng)用場(chǎng)景。 圖3. (a) Bi9O7.5S6納米片的紫外-可見-近紅外吸收光譜；(b) 不同白光照射強(qiáng)度下Bi9O7.5S6納米片光電器件的I-V曲線；(c) 間歇照射條件下器件的i-t曲線；(d) 器件光電流與入射光功率的關(guān)系及擬合曲線。 論文信息： Synthesis of Thin Bi9O7.5S6 Nanosheets for Improved Photodetection in a Wide Wavelength Range Ronghua Yi, Jin Wang, Xiaoping Yue, Yan Liang, Zhuoyao Li,Huixiang Sheng, Mengdan Guan, Yameng Zhu, Qizeng Sun, Li Wang, Prof. Xiao Huang, Prof. Gang Lu Chemistry – An Asian Journal DOI: 10.1002/asia.202100963
