硫化铋超薄纳米片的设计合成及其作为高性能柔性可见-近红外光探测器的应用

超薄二维半导体纳米材料具有柔性、伸缩性好、交界面完美、及暴露表面积大等特性使其在电子、光电子、光伏及生物医学等领域展现出重要的研究价值和广阔的应用前景。硫化铋是典型的层状半导体,其块材带隙为1.3 eV,是重要的可见-近红外光区域光电材料,其低维纳米结构将在低成本柔性半导体器件设计与制备、光电响应与探测,以及能量转换等领域发挥重要作用。而近年来硫化铋的研究主要集中于其准零维量子点/颗粒、一维纳米线/棒及其三维纳米结构组装,文献尚未有关于离散硫化铋超薄二维纳米结构制备的报道,这使其性能拓展及其微纳器件组装与制备受到一定程度的限制。

中国科学技术大学化学系杨晴研究组博士生陈桂焕、访问学者于永强博士和合肥工业大学材料科学与工程学院蒋阳研究组合作,利用聚合物辅助的溶剂热合成方法结合超声处理首次制备出厚度最低可达2.2纳米的超薄硫化铋纳米片,并通过简单滴涂工艺可将超薄纳米片组装成响应度高、响应速度快的柔性可见-近红外光探测器。相关研究结果发表在Small上。

为实现超薄硫化铋纳米片的二维择优取向生长,研究中利用芳基取代的分子前体作为反应前驱源,以无水乙醇和油胺作为反应介质、通过聚合物聚乙烯吡咯烷酮辅助的溶剂热反应,结合超声处理成功制备出硫化铋超薄二维纳米片,其厚度最低达2.2纳米(两个单胞厚度)。同时,通过简单滴涂工艺成功地将其组装成柔性可见-近红外光探测器。研究发现该探测器在405至780纳米的可见-近红外光区域内有非常明显的探测性能,其响应度和量子效率分别可达4.4 AW-1和860%,响应时间仅为20 μs,并且具有稳定的机械性能。此外,通过对该器件在真空和大气环境下性能对比研究发现,其高性能的光电响应机理除了与所制备的硫化铋超薄纳米片具有很高的结晶性有关外,还与超薄纳米片表面气氛吸附及特殊的超薄层-层堆积器件结构有关。该合成方法可拓展用于相关超薄纳米结构的控制制备,并且探测器制备工艺简单,具有响应度高、响应速度快和机械性能稳定等特点,可为基于液相法所制备低维纳米结构的快速响应光电探测器的简化构建与拓展应用提供有益的参考。Untitled