BiSI(비스무트 설포이오다이드) 나노막대: 합성, 특성화 및 광검출기 응용

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8800(2023) 이 기사 인용

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BiSI(bismuth sulfoiodide) 나노막대는 습식 화학적 방법을 통해 상대적으로 낮은 온도(393K)에서 합성되었습니다. BiSI 나노로드의 결정질 1차원(1D) 구조는 HRTEM(고해상도 투과 현미경)을 사용하여 확인되었습니다. 재료의 형태와 화학적 조성은 주사전자현미경(SEM)과 에너지분산형 X선 분광법(EDS)을 각각 적용하여 조사했습니다. BiSI 나노로드의 평균 직경은 126(3) nm이고 길이는 1.9(1) μm로 결정되었습니다. X선 회절(XRD) 결과, 제조된 물질은 주요 사방정계 BiSI 상(87%)과 소량의 육각형 Bi13S18I2 상(13%)으로 구성되어 있으며 다른 잔류 상은 존재하지 않는 것으로 나타났습니다. 1.67(1) eV의 직접 에너지 밴드 갭은 확산 반사 분광법(DRS)을 사용하여 BiSI 필름에 대해 결정되었습니다. 두 가지 유형의 광검출기가 BiSI 나노막대로 구성되었습니다. 첫 번째는 Au 전극이 장착된 견고한 유리 기판의 BiSI 필름을 기반으로 하는 전통적인 광전도 장치였습니다. 단색광(λ = 488 nm) 조명에 대한 광전류 반응에 대한 광 강도의 영향을 일정한 바이어스 전압에서 연구했습니다. 새로운 유연한 광충전 장치는 준비된 광검출기의 두 번째 유형이었습니다. 이는 ITO(인듐 주석 산화물) 전극으로 코팅된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 사이에 끼워진 BiSI 필름과 겔 전해질 층으로 구성되었습니다. 유연한 자가 전력형 BiSI 광검출기는 0.127 W/cm2의 강도를 갖는 조명 하에서 68mV의 개방 회로 광전압과 0.11nA/cm2의 단락 광전류 밀도를 나타냈습니다. 이러한 결과는 자가 전력 광검출기 및 광충전 커패시터에 사용하기 위한 BiSI 나노막대의 높은 잠재력을 확인시켜 주었습니다.

BiSI(Bismuth sulfoiodide)는 무기 물질의 칼코할로겐화물 계열에 속하는 삼원 반도체입니다1,2. BiSI의 결정 구조는 사방정계 Pnam 공간 그룹3,4에 의해 설명됩니다. 이 물질은 바늘 모양의 벌크 결정5,6,7, 1차원(1D) 마이크로막대8,9, 나노막대10,11,12,13,14 및 나노와이어15로 성장합니다. BiSI 결정은 약한 반 데르 발스 상호작용1,16에 의해 서로 결합된 [(BiSI) ]2 이중 사슬로 구성됩니다. 체인은 c축, 즉 [001] 방향을 따라 배향됩니다. 따라서 이 물질은 고도의 이방성 광학적, 전기적 특성을 가지고 있습니다. BiSI는 n형 반도체8,9,18,19이며, 에너지 밴드 갭은 1.5eV20~1.8eV15,21,22의 넓은 범위로 보고됩니다. BiSI는 광전지 장치를 위한 효율적인 태양열 흡수재로 간주됩니다8,21. 이는 광전도 이득이 큰 우수한 광전도체로 입증되었습니다. 더욱이, 이는 실온 방사선 검출기1,24에 사용하기에 유리한 작은 유효 질량의 전자 및 정공을 나타냅니다. BiSI는 또한 강유전성 재료입니다. 최근 사방정계 BiSI의 본질적인 초저 격자 열전도율이 밝혀졌으며, 이는 이 화합물이 열전 응용 분야에 유망하다는 것을 시사합니다. 지금까지 BiSI는 고성능 광검출기17, 태양전지2,9,11,13,20,29,30, 광전기화학전지8,19,31, 슈퍼커패시터3,4,32,33, 충전용 소재로 사용되는 우수한 소재로 보고되었습니다. 배터리16, 실온 이온화 방사선 검출기10,12, 유기 오염물질의 광촉매 분해15,34,35 및 수소 생산36.

BiSI는 고체 기계화학적 방법37,38, 열수 성장22,34,35,39, 용매열 합성10,12,14,18, 용액 침전 방법32, 콜로이드 접근19, 열분해20, 증기상 성장5,6을 포함한 다양한 접근법을 사용하여 제조될 수 있습니다. , 황과 산소의 음이온 교환을 통해 희석된 H2S 가스가 있는 경우 비스무트 옥시요오드화물(BiOI)의 황화. 일반적으로 BiSI 나노 막대의 합성은 적용된 제조 방법에 따라 막대 모양의 Bi13S18I218 또는 시트 모양의 BiOI32의 작은 상 형성을 동반합니다. Li와 동료들은 BiSI가 낮은 황 대 비스무트 비율 하에서 합성될 수 있음을 입증했습니다. 이 매개변수가 크게 증가하면 BiSI가 Bi13S18I2로 변환됩니다. 앞서 언급한 제조 방법 중 다수는 무작위 결정 방향을 가진 질감 있는 박막을 형성하는 결과를 가져옵니다. 1차원 BiSI 미세구조는 자연 환경에서도 성장합니다. BiSI는 데미켈라이트-(I) 광물로도 알려져 있습니다. 2010년에는 이탈리아 Vulcano 섬의 La Fossa 분화구에서 발견되었습니다41.