Nanorod di solfoioduro di bismuto (BiSI): sintesi, caratterizzazione e applicazione del fotorivelatore

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8800 (2023) Citare questo articolo

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I nanotubi di solfoioduro di bismuto (BiSI) sono stati sintetizzati a temperatura relativamente bassa (393 K) attraverso un metodo chimico umido. La struttura cristallina unidimensionale (1D) dei nanotubi BiSI è stata confermata mediante microscopia a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM). La morfologia e la composizione chimica del materiale sono state esaminate applicando rispettivamente la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS). Sono stati determinati il ​​diametro medio di 126(3) nm e la lunghezza di 1,9(1) µm dei nanotubi BiSI. La diffrazione dei raggi X (XRD) ha rivelato che il materiale preparato è costituito da una fase BiSI ortorombica maggiore (87%) e da una quantità minore di fase Bi13S18I2 esagonale (13%) senza presenza di altre fasi residue. Il gap di banda di energia diretta di 1,67(1) eV è stato determinato per la pellicola BiSI utilizzando la spettroscopia di riflettanza diffusa (DRS). Due tipi di fotorilevatori sono stati costruiti da nanorod BiSI. Il primo era un dispositivo fotoconduttivo tradizionale basato su film BiSI su substrato di vetro rigido dotato di elettrodi Au. È stata studiata l'influenza dell'intensità della luce sulla risposta della fotocorrente all'illuminazione con luce monocromatica (λ = 488 nm) con una tensione di polarizzazione costante. Il nuovo dispositivo flessibile fotocaricabile era il secondo tipo di fotorilevatori preparati. Consisteva in una pellicola BiSI e uno strato di elettrolita in gel inseriti tra substrati di polietilene tereftalato (PET) rivestiti con elettrodi di ossido di indio-stagno (ITO). Il fotorilevatore BiSI flessibile e autoalimentato ha mostrato una fototensione a circuito aperto di 68 mV e una densità di fotocorrente di cortocircuito di 0,11 nA/cm2 sotto illuminazione con intensità di 0,127 W/cm2. Questi risultati hanno confermato l'elevato potenziale dei nanotubi BiSI per l'uso in fotorilevatori autoalimentati e condensatori fotocaricabili.

Il solfoioduro di bismuto (BiSI) è un semiconduttore ternario che appartiene alla famiglia dei calcoalogenuri di materiali inorganici1,2. La struttura cristallina del BiSI è descritta dal gruppo spaziale Pnam ortorombico3,4. Questo materiale cresce nei cristalli sfusi a forma di ago5,6,7, microbarre unidimensionali (1D)8,9, nanobarre10,11,12,13,14 e nanofili15. I cristalli BiSI sono costituiti dalle catene doppie [(BiSI)∞]2 legate insieme dalle deboli interazioni di van der Waals1,16. Le catene sono orientate lungo l'asse c, ovvero [001] direzione5,13,17. Pertanto, questo materiale possiede proprietà ottiche ed elettriche altamente anisotrope. Il BiSI è un semiconduttore di tipo n8,9,18,19 con gap di banda energetica riportato nell'ampio intervallo da 1,5 eV20 fino a 1,8 eV15,21,22. BiSI è considerato un efficiente assorbitore solare per dispositivi fotovoltaici8,21. È stato dimostrato come un eccellente fotoconduttore con un ampio guadagno fotoconduttivo17,23. Inoltre, presenta una piccola massa effettiva di elettroni e lacune, il che è vantaggioso per il suo utilizzo nei rilevatori di radiazioni a temperatura ambiente1,24. Anche il BiSI è un materiale ferroelettrico25,26,27. Recentemente, è stata rivelata una conduttività termica reticolare ultra-bassa intrinseca del BiSI ortorombico, suggerendo che questo composto è promettente per applicazioni termoelettriche28. Fino ad ora, il BiSI è stato segnalato come un materiale eccellente per l'uso in fotorilevatori ad alte prestazioni17, celle solari2,9,11,13,20,29,30, celle fotoelettrochimiche8,19,31, supercondensatori3,4,32,33, batterie ricaricabili batterie16, rilevatori di radiazioni ionizzanti a temperatura ambiente10,12, degradazione fotocatalitica degli inquinanti organici15,34,35 e produzione di idrogeno36.

Il BiSI può essere fabbricato utilizzando diversi approcci, tra cui il metodo meccanochimico allo stato solido37,38, la crescita idrotermale22,34,35,39, la sintesi solvotermica10,12,14,18, il metodo di precipitazione in soluzione32, l'approccio colloidale19, la termolisi20, la crescita in fase vapore5,6 e solforazione dell'ossiioduro di bismuto (BiOI) in presenza di gas H2S diluito tramite scambio anionico dell'ossigeno con zolfo17,31. Di solito, una sintesi di nanobarre BiSI è accompagnata dalla formazione di una fase minore di Bi13S18I218 a bastoncino o BiOI32 a forma di foglio, a seconda del metodo di fabbricazione applicato. Li e colleghi18 hanno dimostrato che il BiSI può essere sintetizzato con un basso rapporto zolfo/bismuto. Quando questo parametro viene aumentato in modo significativo, il BiSI viene convertito nel Bi13S18I2. Molti dei metodi di fabbricazione sopra menzionati danno luogo alla formazione di film sottili testurizzati con orientamento casuale dei cristalli40. Le microstrutture unidimensionali BiSI crescono anche nell'ambiente naturale. Il BiSI è noto anche come minerale demicheleite-(I). Nel 2010 è stato scoperto nel cratere La Fossa sull'isola di Vulcano (Italia)41.