英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
超薄Bi2S3纳米片的制造高性能、灵活的可见近红外光电探测器
陈贵欢，余永强，孔正，陶丁，王文良，杨江，清阳*
超薄、二维(2D)纳米晶因其独特的尺寸依赖性而成为下一代超薄、柔性光电子器件的潜在候选材料。本文采用另一种简单的乙醇溶剂热法合成了厚度可达2.2纳米的超薄Bi2S3纳米片。为了研究新型类2D材料的光电性能，采用了一种简易的方法，在易燃塑料(聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET)衬底上制备了一种基于纳米片合成的可折叠光电探测器。得到的超薄Bi2S3基光电导体在405-780nm范围内对可见-近红外光具有很高的灵敏度，外部光响应率高达4.4AW-1，asymp;1011琼斯的高探测率，相对快速响应时间约为10秒，比普通硅光电探测器和其他二维纳米结构光电探测器性能好很多。此外，在详细测量的情况下，该装置具有较高的易用性和耐久性。研究表明超薄Bi 2S 3纳米片在高性能光电探测器中具有阔的应用前景。
受到石墨烯的发现和广泛应用的启发，[1]超薄二维纳米材料一直是研究的热点。最近的纳米科学和纳米技术。超薄二维纳米结构具有独特的优点可扩展性强，界面完美，外露面积大这使得他们成为一个新兴的有前途的阶层电子、光电、光伏材料以及生物医学应用等等。[2]最近，相当可观一直致力于发展外语能力以及低成本的光电子设备。我们知道[3]低维度的纳米结构材料可以作为引线相对于它们的体块而言，具有更高的光学响应，电子和空穴能态变得离散.由于空间的关系，这将大大延长光载流子寿命。[4]不过，电量子点的性能(如载流子迁移率)(QDs)有限差分光学显微镜(film)的工作原理是由于从一个非常大量的晶界在QDs film内到期到纳米级的颗粒大小。此外,一维(1 D)材料表面覆盖不完整。所以超薄二维纳米结构更有利于满足要求超薄、低成本、便携性好高性能荧光灯输出光电子器件的机械稳定性设备。[6]
在过去的几年里，高性能的光电探测器它们的广泛应用引起了人们极大的兴趣。在环境监测、生物医学、成像、电信、安全检查，工业加工控制。[7]硫酸铋(Bi 2 S 3)是一种典型的片状结构具有块状直接带的硫族半导体间隙为1.3 eV，具有较大的吸收系数[8]它是一个理想的候选可伸缩宽带光电探测器。虽然已经制造了许多光电器件基于零维(0D)Bi 2 S 3纳米点/粒子，一维纳米棒/纳米线/纳米管，或三维层次结构(表S1，支持资料)。[9-11]显然，由于缺乏离散的二维Bi 2 S 3纳米结构，限制了其应用应用于微/纳米器件的组装和高性能fl流亡光电器件。尽我们最大的努力知识上，还没有任何关于离散的报道到目前为止，超薄二维Bi 2 S 3纳米片。一般来说,由于这一事实，很难形成超薄的Bi 2 S 3纳米片吗具有高度各向异性正交晶相的Bi 2 S 3是一种连接在一起的带状聚合物通过Bi和S原子间的分子间引力。的链状砌块与c轴平行使其优先生长为一维纳米结构[001]方向。所以，这是非常具有挑战性和意义的目的:探讨光电子合成及其应用超薄Bi 2 S 3纳米片。
在这里，我们成功地演示了另一种易用性方法，采用乙醇溶剂热法制备了超薄铋第一次使用厚度为2.2 nm的纳米片由三苯基铋与二苄基二硫化物的反应得到在180°C下进行8小时。本文首先在fl可塑PET基板上制备了光电探测器通过一种简便的滴沉积工艺，使其均匀纳米片-纳米片film的形成，避免了复合材料的产生
光刻技术定位技术。纯属捏造的该器件具有良好的光响应性能近红外区可见(405 - 780 nm)，即,一个反应性等于4.4 A W - 1，高灵敏度(高达asymp;10 11 Jones)高量子效率(860%)。特别是设备展品超快响应时间(asymp;10micro;s)比之前报道的大多数基于2d的光电探测器(如图所示)在表1中)。此外，串联测量结果表明本实用新型具有良好的排流性能和机械稳定性。具有良好的光响应特性归因于接触质量，以及表面效应和Bi 2 S 3纳米片的晶体质量。独特的超薄二维Bi 2 S 3纳米材料及其优异的性能作为荧光粉的流光检测器，为荧光粉的制备铺平了道路其他多功能、高水平的Bi 2 S 3基电子或光电设备。
图1a为典型的x射线衍射(XRD)图制备了超薄的Bi 2 S 3纳米片在180°C下加热8小时(上轮廓线)，并符合相应标准波特衍射标准联合委员会卡没有75-1306(下降曲线)。的所有衍射峰模式被标记，并且可以很容易地索引到纯模式正交晶相硫化铋具有空间基Pbnm因为没有任何杂质的峰。的衍射峰的展宽表明低维数nanosheets。图1 b显示了一个典型的fi -emission扫描电镜(SEM)图像的Bi 2 S 3纳米片，呈现清晰的片状结构。图1 c为透射电镜(TEM)示例的图像，这进一步演示了薄板样例bi2s纳米片的特性。然而，它被发现了一些纳米薄片粘在薄的带状纳米结构上由于采用超声分散法制备TEM样品。在高分辨率TEM (HRTEM)图像中，间距为0.571 nm和0.197 nm的晶格可以分别索引为(020)和(002)。相应的选择区电子衍射(SAED)图(图1 d插图)验证了HRTEM观察结果并证明了纳米片的高质量具有单晶性质。同时，HRTEM和SAED结果表明，纳米片是首选的暴露(100)方面。在图1 e中，是一个示意图晶体在单元细胞中，双层b_2 - s_3结构为1.1123 nm(d100)厚度(左)和顶视图显示(100)平面沿[100]区域轴(右)的单层bi2s - 3。一个tappingmode原子力显微镜(AFM)个人图像
如图1 f所示的超薄bi2s纳米片表明合成的超薄纳米片的厚度仅为2.2 nm，当于Bi 2 S 3的双单元细胞厚度沿b方向，如图1 e所示进一步研究了光电子能谱(XPS)测量技术用于揭示成分和化学状态对于生成物，我们发现Bi和S元素都存在是否处于预期的氧化态(图S1，支持?信息)。详细介绍了铋高分辨率XPS光谱显示157.8 eV和163.1 eV处有两个峰值，分别为与Bi (III)的报告值相符;及硫的2p峰(160.4和161.6 eV)和硫化氢结合能源(224.8 eV)也与之前的一致。[13]
研究了超薄Bi 2 S 3的生长过程一系列样品，如SEM图S2所示，收集在不同的反应时间与其他实验条件不变。图S3,支持信息，显示了x射线衍射图谱的分别在1h、2h、3h时得到的乘积为发现产品结晶度较差在最后两个小时。同时，它们主要是不规则的初始时形成球形颗粒(asymp;800 nm)1h阶段(图S2a,d，支撑信息)。2 h后反应时，一些不规则的超薄片状纳米结构可由主要球形颗粒形成(图S2b,e，支持信息)。当反应时间增加到3h时，产物转变为晶体正交晶相铋磺胺类化合物(JCPDS 75-1306)，它们发育良好对于超薄的Bi 2 S 3纳米片(图S2c,f，支持信息)，然而，Bi 2 S 3纳米片的结晶度在3h时获得(图S3，支持信息)更低的形成过程Bi 2 S 3纳米片可以作为示意图，如图S2g-i所示，支持信息。同时，如图S4和S5所示，支持资料显示，深入调查表明PVP在超薄层的形成中起着重要的作用。典型的超薄吸收光谱Bi 2 S 3纳米片(8小时制得)，范围在300-1600纳米如图S6所示，支持信息。报道,Bi 2 S 3是直接带隙半导体及其带隙能量可由表1。比较了以往报道的二维纳米结构光探测器的关键参数。光电探测器电压[V]反应性[A W - 1]量子有效率不熟悉(%)响应时间参考石墨烯
(alpha;hv ）2=B（hnu;minus;Eg (1)
其中alpha;是吸收系数,hnu;光子能量,B是常数，g是带隙能。(alpha;hnu;)2与hnu;的能量如图S6的插图所示。带隙E g可以估计为1.9 eV，这与之前的报告结果接近，[11]使其成为可见光-近红外的理想选择光电探测器。
Bi 2 S 3在180ordm;C获得8 h相比之下更适合制作光电子器件在此基础上对其进行了3小时的实验试验(图S7，支持信息)，这可能是到期的其结晶度的变化(图1a和图S3，支持信息)。制作了柔性光电探测器采用积分法在PET的fl可塑塑料基体上进行了研究如图所示，将纳米薄片制成均匀的fi lm图2 a中的插图。图2 b显示了一张照片给出了一种典型器件的显微图像(插图)。光探测器的光响应行为是在单色光照明下测量的吗直接。图2 c为电流-电压(I-V）曲线荧光流亡光探测器用不同的光照射波长（光强度为1.3 mW .cmminus;2)和在黑暗条件下，分别。这是显而易见的I - V曲线是拟线性的，对于小曲线是对称的偏置电压，表示一个类似欧姆的接触以及a纳米膜下良好的电子传输对波长有明显的依赖性。的对应的波长依赖光电流响应如图2d所示，表明该设备显示较强的光电流响应在405-780纳米具有较高的在我们的测试条件下对632.8 nm光的选择性。的图1所示。a)添加三苯基铋与二苄基二ulfi在无水乙醇中反应得到的样品XRD图谱在180°C下进行8 h，并与相应的标准模式bi2s3 (JCPDS卡号)进行比较。75 - 1306)。光谱选择性与二维带隙一致可以估算得到Bi 2 S 3纳米结构(asymp;1.9 eV, 650 nm)由图S6中的吸收光谱可知，支持信息。关于光电流下降的存在性在较低的波长(405,450,532纳米)比650纳米即使在如此低的波长中有相当大的吸收，它被认为与缩写有关电子空穴对的寿命和缺陷在或附近bi2s纳米片的表面区域。[15]是光谱响应特性表明，超薄的Bi 2 s3纳米片适合于光探测器的应用在可见光-近红外光范围内。接下来我们测量时间依赖光响应的周期性关闭和在激光上(632.8 nm, 1.6 mW cmminus;2))当偏压为0.5 V时，结果如图2 e所示辐照前后，器件的电流急剧增大增加从0.19到1.18micro;A提供一个稳定的和可重复的开/关比asymp;6。电流开/关比的依赖关系，以及进一步的响应性，取工作电压在我们的测量中考虑(图S8，支持)信息)。响应性(R)和外部量子效率(EQE)与光电探测器的灵敏度有关光电探测器的关键参数。响应度(R)为的单位功率所产生的光电流入射光照射的有效面积和EQE为数值每一个入射光导体光子所探测到的电子，可以通过
R=Delta;I/ PA (2)
,EQE /= hcR /elambda;(3)
Delta;I光激的电流,光功率P在bi2s3纳米片上辐照强度，A是有效的面积，h是普朗克常数，c是光速,e是电子电荷,lambda;是令人兴奋的波长。根据上述方程，计算出R等于4.4 A W - 1在632.8 nm的光照下，以光强照明在偏压为0.5 V时为1.6 mW cm - 2，这里的EQE是确定为860%，远远高于商用硅光电探测器和许多以前的2d结构光电探测器。我们也探索波长依赖响应度的设备，如图2 f所示。在1.3 mW cm - 2的fi照明强度下，R为5。估计为1.6瓦- 1为405纳米，1.6瓦- 1450海里,2.0 A W - 1对于532纳米，3.7 A W - 1为632.8 nm, 2.1 A W - 1对于780nm，说明fl流放型bi2s光电探测器为能够进行宽带光检测对近红外区域可见，具有较高的响应能力。
对该器件的微弱光信号进行了检测，并进行了测试通过假设发射噪声来自暗电流是产生总噪声的主要原因，哪个可以表示为
(4)
其中R为响应度，A为有效面积检测器，e是电子电荷的绝对值，I d是暗流。的估计特异度D * = 2.1times;10times;11Jones，在测量时采用光强法在632.8 nm和V = 0.5 V时，1.6 mW cm - 2比研究了多层MoS 2光探测器和气体的性能用于光谱可见区域的纳米片光电探测器。[6,20]如图2 f所示，波长相关在405纳米范围内的探测率估计为1.2times;10 11 Jones，1.2times;10 11 Jones for 450 nm, 1.5times;10 11 Jones for 532 nm，2.7times;10 11琼斯为632.8纳米，1.5times;10 11琼斯为780纳米在0.5 V, 1.3 mW cm - 2的fi照明功率下。光探测器的另一个优点是线性特性动态范围(LDR)或光敏线性(通常用dB表示，由LDR = 20 log(Iph / Idark)给出，在光强为1mw cm - 2。如图S9所示，支持信息产生的光电流在内部是高度线性的入射光强为0.6 ~ 13.6 mW cmminus;2在0.5 V时，显示出良好的光敏响应nanosheet光电探测器。这里的LDR估计是为17.6 dB，低于目前的Si光电探测器(120 dB)和fl放电气体纳米片光电探测器(78.73 dB)在ref.[6]中。
探测器在不同的光照强度下工作从0.6 mW cm - 2到13.6 mW cm - 2用氦氖激光测距
(图3 a).光电流随光的功率强度，这是符合事实的载流子光生效率与之成正比吸收光子fl ux。很明显，光电流呈现出a强烈的对光强的依赖性和依赖性可以表示为幂律I aP p = b (5)其中I p
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[18997]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
课题毕业论文、外文翻译、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
