Wismutsulfoiodid (BiSI)-Nanostäbe: Synthese, Charakterisierung und Fotodetektoranwendung

Jun 23, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8800 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Nanostäbe aus Bismutsulfoiodid (BiSI) wurden bei relativ niedriger Temperatur (393 K) durch ein nasschemisches Verfahren synthetisiert. Die kristalline eindimensionale (1D) Struktur der BiSI-Nanostäbe wurde mithilfe hochauflösender Transmissionsmikroskopie (HRTEM) bestätigt. Die Morphologie und chemische Zusammensetzung des Materials wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) bzw. energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) untersucht. Der durchschnittliche Durchmesser der BiSI-Nanostäbe betrug 126(3) nm und die Länge 1,9(1) µm. Röntgenbeugung (XRD) ergab, dass das vorbereitete Material aus einer größeren orthorhombischen BiSI-Phase (87 %) und einer geringen Menge einer hexagonalen Bi13S18I2-Phase (13 %) besteht, ohne dass andere Restphasen vorhanden sind. Die direkte Energiebandlücke von 1,67(1) eV wurde für BiSI-Filme mittels diffuser Reflexionsspektroskopie (DRS) bestimmt. Aus BiSI-Nanostäben wurden zwei Arten von Fotodetektoren konstruiert. Das erste war ein herkömmliches fotoleitendes Gerät, das auf einem BiSI-Film auf einem steifen Glassubstrat basierte und mit Au-Elektroden ausgestattet war. Ein Einfluss der Lichtintensität auf die Photostromreaktion auf Beleuchtung mit monochromatischem Licht (λ = 488 nm) wurde bei einer konstanten Vorspannung untersucht. Das neuartige flexible fotoaufladbare Gerät war der zweite Typ vorbereiteter Fotodetektoren. Es bestand aus einer BiSI-Folie und einer Gelelektrolytschicht, die zwischen Polyethylenterephthalat (PET)-Substraten lag, die mit Indiumzinnoxid (ITO)-Elektroden beschichtet waren. Der flexible, energieautarke BiSI-Fotodetektor zeigte eine Leerlauf-Fotospannung von 68 mV und eine Kurzschluss-Fotostromdichte von 0,11 nA/cm2 unter Lichtbeleuchtung mit einer Intensität von 0,127 W/cm2. Diese Ergebnisse bestätigten das hohe Potenzial von BiSI-Nanostäben für den Einsatz in selbstversorgten Fotodetektoren und fotoaufladbaren Kondensatoren.

Wismutsulfoiodid (BiSI) ist ein ternärer Halbleiter, der zur Familie der Chalkohalogenide anorganischer Materialien gehört1,2. Die Kristallstruktur des BiSI wird durch die orthorhombische Pnam-Raumgruppe beschrieben3,4. Dieses Material wächst zu nadelförmigen Volumenkristallen5,6,7, eindimensionalen (1D) Mikrostäben8,9, Nanostäben10,11,12,13,14 und Nanodrähten15. Die BiSI-Kristalle bestehen aus den [(BiSI)∞]2-Doppelketten, die durch schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen1,16 miteinander verbunden sind. Die Ketten sind entlang der c-Achse ausgerichtet, also in [001]-Richtung5,13,17. Daher besitzt dieses Material stark anisotrope optische und elektrische Eigenschaften. Das BiSI ist ein Halbleiter vom n-Typ8,9,18,19 mit einer Energiebandlücke im weiten Bereich von 1,5 eV20 bis 1,8 eV15,21,22. BiSI gilt als effizienter Solarabsorber für Photovoltaikanlagen8,21. Es hat sich als ausgezeichneter Fotoleiter mit großer fotoleitender Verstärkung erwiesen17,23. Darüber hinaus weist es eine geringe effektive Masse an Elektronen und Löchern auf, was für seine Verwendung in Strahlungsdetektoren bei Raumtemperatur von Vorteil ist1,24. Das BiSI ist auch ein ferroelektrisches Material25,26,27. Kürzlich wurde eine intrinsische extrem niedrige Gitterwärmeleitfähigkeit von orthorhombischem BiSI entdeckt, was darauf hindeutet, dass diese Verbindung für thermoelektrische Anwendungen vielversprechend ist28. Bisher galt BiSI als ausgezeichnetes Material für den Einsatz in Hochleistungsfotodetektoren17, Solarzellen2,9,11,13,20,29,30, photoelektrochemischen Zellen8,19,31, Superkondensatoren3,4,32,33 und wiederaufladbaren Zellen Batterien16, Detektoren für ionisierende Strahlung bei Raumtemperatur10,12, photokatalytischer Abbau organischer Schadstoffe15,34,35 und Wasserstoffproduktion36.

Das BiSI kann mit verschiedenen Ansätzen hergestellt werden, einschließlich mechanochemischer Festkörpermethode37,38, hydrothermischem Wachstum22,34,35,39, Solvothermalsynthese10,12,14,18, Lösungsfällungsmethode32, kolloidalem Ansatz19, Thermolyse20, Dampfphasenwachstum5,6 und Schwefelung des Bismutoxyiodids (BiOI) in Gegenwart von verdünntem H2S-Gas durch Anionenaustausch des Sauerstoffs mit Schwefel17,31. Normalerweise geht die Synthese von BiSI-Nanostäben mit der Bildung einer Nebenphase aus stäbchenförmigem Bi13S18I218 oder blattförmigem BiOI32 einher, je nach angewandter Herstellungsmethode. Li und Mitarbeiter18 zeigten, dass BiSI bei einem niedrigen Schwefel-Wismut-Verhältnis synthetisiert werden kann. Wenn dieser Parameter deutlich erhöht wird, wird das BiSI in Bi13S18I2 umgewandelt. Viele der oben genannten Herstellungsmethoden führen zur Bildung strukturierter dünner Filme mit zufälliger Kristallorientierung40. Die eindimensionalen BiSI-Mikrostrukturen wachsen auch in der natürlichen Umgebung. Das BiSI ist auch als Demicheleit-(I)-Mineral bekannt. Im Jahr 2010 wurde es im La Fossa-Krater auf der Insel Vulcano (Italien) entdeckt41.

Kürzlich haben Zankat et al.42 einen energieautarken Fotodetektor entwickelt, der auf einer SnSe2/MoSe2-Heterostruktur basiert. Es wurde der Einfluss der MoSe2-Kristallanisotropie auf die energieautarke Photodetektion des SnSe2/MoSe2-Heteroübergangs untersucht. Das Gerät wies einen Typ-II-Kontakt mit einer hohen Lichtempfindlichkeit von 7,09 A/W, einer Detektivität von 6,44 × 1012 Jones und einem EIN/AUS-Verhältnis von 105–10642 auf. Patel et al.43 veranschaulichten die Möglichkeit, die p-WSe2/p-CuO-Heterostruktur zu verwenden, um einen flexiblen, robusten und breitbandigen Photodetektor zu geringen Kosten herzustellen. Der WSe2/CuO-Dünnfilm wurde mithilfe eines ungiftigen, lösungsmittelfreien und umweltfreundlichen Handdruckverfahrens auf dem Papiersubstrat abgeschieden. Dieser papierbasierte Fotodetektor zeigte eine effektive optoelektrische Leistung über den erweiterten Spektralbereich von 390–800 nm mit einer beachtlichen Empfindlichkeit von 0,28 mA/W und einem spezifischen Detektivvermögen von 0,19 × 1010 Jones43. Die durch Ultraschall unterstützte mechanische Misch- und Tropfengusstechnik wurde in44 vorgestellt und zum Aufbau einer Hybridverbindung aus Selen und Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS) verwendet. Dieser Heteroübergang wurde als Hochleistungsfotodetektor eingesetzt. Es zeigte eine breite Spektrumsantwort im UV-Vis-NIR-Bereich mit einer Empfindlichkeit von 0,56 A/W, 66 mA/W und 1,363 A/W bei Wellenlängen von 315 nm, 620 nm bzw. 820 nm44. Chekke et al.45 stellten ein flexibles und tragbares triboelektrisches Einzelelektroden-Nanogeneratorgerät mit eigener Stromversorgung unter Verwendung von mit Au-Nanopartikeln dekorierten WS2-Nanoblättern, Zellulosepapier und einem Membransubstrat aus Polyvinylalkohol (PVA) her. Es zeigte eine Photodetektionseigenschaft mit einer Empfindlichkeit von 0,4 Vm2/W. Vuong et al.46 zeigten, dass durch chemische Dampfabscheidung hergestellte Filme aus Methylammoniumbismutiodid [MA3Bi2I9 (MBI)] und ihre gemischten Halogenidanaloga [MA3Bi2I6Br3 (MBIB), MA3Bi2I6Cl3 (MBIC)] die Leistung und Stabilität von Fotodetektoren verbessern. Wenn MBIC-integrierte Geräte mit UV-Licht beleuchtet wurden, zeigten sie eine Empfindlichkeit von 0,92 A/W und eine Detektivität von 2,9 × 1013 Jones, was etwa dreimal höher war als bei MBI-Gegenstücken46. Patel und Mitarbeiter demonstrierten die Herstellung eines flexiblen Films aus mit Ag-Nanopartikeln dekoriertem WSe2 auf einem Papiersubstrat47. Dieses Material wurde in einem Fotodetektor verwendet, dessen Empfindlichkeit und Detektivität bei einer niedrigen Vorspannung von 1 V 0,43 mA/W bzw. 2,9 × 108 Jones erreichten47. Pataniya et al.48 entwickelten einen tauchbeschichteten WSe2-Fotodetektor auf Whatman-Filterpapier als Substrat. Seine Empfindlichkeit erreichte 17,78 mA/W bei einer Vorspannung von 5 V, was der früherer zweidimensionaler Übergangsmetalldichalkogenid-Fotodetektoren auf starren Substraten entsprach. In einer anderen Arbeit verwendeten Modi et al.49 eine einfache hydrothermale Methode zur Synthese von mit Indium dotierten ternären SnS-Legierungen. Die beste Fotodetektorleistung wurde für mit 7 % In dotiertes SnS erreicht. Die hohe Empfindlichkeit von 85 A/W und die Detektivität von 8,96 × 1010 Jones wurden für diesen Fotodetektor bei 1 V Vorspannung und einer Beleuchtungsintensität von 6,96 mW/m249 ermittelt.

In diesem Artikel wird eine einfache nasschemische Herstellungsmethode für BiSI-Nanostäbe vorgestellt. Dadurch konnte hochreines Material bei relativ niedriger Temperatur (393 K) gewonnen werden, ohne dass komplexe und teure Geräte eingesetzt werden mussten. Die umfassenden Studien zur Morphologie, chemischen Zusammensetzung, Kristallstruktur und optischen Eigenschaften der BiSI-Nanostäbe wurden mit verschiedenen experimentellen Techniken durchgeführt, wie beispielsweise hochauflösender Transmissionsmikroskopie (HRTEM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS), Röntgenbeugung (XRD) und diffuse Reflexionsspektroskopie (DRS). Die BiSI-Nanostäbe wurden zum Aufbau von zwei Arten von Fotodetektoren verwendet. Das erste war ein herkömmliches fotoleitendes Gerät, das aus einem BiSI-Film auf einem steifen Glassubstrat bestand. Der zweite war der flexible, fotoaufladbare Fotodetektor, der auf BiSI- und Gelelektrolytfilmen basierte, die zwischen ITO-beschichteten PET-Schichten eingespannt waren. Die Reaktion der Fotodetektoren auf Beleuchtung mit monochromatischem Licht (λ = 488 nm, 632,8 nm) wurde gemessen. Es wurde ein Einfluss der Lichtintensität auf die Photostromreaktion untersucht. Die Parameter, die die Leistung von Fotodetektoren beschreiben, wurden bestimmt und diskutiert.

Ein typischer Prozess der Materialherstellung ist in Abb. 1 dargestellt. Im ersten Schritt wurden 0,485 g Wismutnitrat-Pentahydrat (Bi(NO3)3·5H2O) in 50 ml entionisiertem (DI) Wasser gelöst und auf 393 K erhitzt (Abb. 1a). Anschließend wurden 0,34 g Kaliumiodid (KI) und 1,0 g Thioacetamid (TAA) in 50 ml entionisiertem Wasser gelöst und auf 393 K erhitzt (Abb. 1b). Die Bi(NO3)3·5H2O-Lösung wurde langsam zu der Mischung aus KI und TAA gegeben (Abb. 1c). Der pH-Wert der Lösung wurde durch Zugabe einer geeigneten Menge Essigsäure (AcOH) auf 1–1,2 eingestellt. Die Reaktion wurde die nächsten 5 Stunden bei 393 K unter kontinuierlichen Rührbedingungen fortgesetzt (Abb. 1d). Nach Abschluss der Reaktion wurde der Niederschlag mehrmals mit Ethanol (4-mal) und entionisiertem Wasser (6-mal) gewaschen und zentrifugiert, bis die überstehende Flüssigkeit farblos wurde. Später wurde der Niederschlag 8 Stunden lang bei 333 K getrocknet (Abb. 1e). Schließlich wurde das schwarze Pulver mit eindimensionalen BiSI-Nanostäben erhalten (Abb. 1f).

Schematische Darstellung der Materialsynthese: (a) Wismutnitrat gelöst in entionisiertem Wasser, (b) Kaliumiodid und Thioacetamid gelöst in entionisiertem Wasser, (c) die Wismutnitratlösung zu einem Gemisch aus Kaliumiodid und Thioacetamid gegeben, (d) Rühren der Lösung zusammen mit der pH-Wert-Einstellung durch Zugabe der Essigsäure, (e) Materialtrocknung und (f) REM-Aufnahme des vorbereiteten Materials. Eine ausführliche Beschreibung finden Sie im Text.

Die morphologische Analyse und Elementkartierung der BiSI-Nanostäbe wurde mithilfe der Hellfeldbildgebung im JEM-2100F TEM-Mikroskop (JEOL) durchgeführt. Die Beschleunigungsspannung wurde auf 200 kV eingestellt. Eine weitere Charakterisierung der Morphologie und chemischen Zusammensetzung des vorbereiteten Materials wurde mit einem Phenom Pro X (Thermo Fisher Scientific) SEM-Mikroskop mit integriertem EDS-Spektrometer durchgeführt. Das REM-Mikroskop wurde mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV betrieben. Das EDS-Spektrum wurde mit der Software ProSuite Element Identification (Thermo Fisher Scientific) quantifiziert.

XRD-Studien wurden mit dem D8 Advance-Diffraktometer (Bruker) mit Cu-Kα-Kathode (λ = 1,54 Å) durchgeführt, das bei 40 kV Spannung und 40 mA Strom betrieben wurde. Es wurde ein Scanschritt von 0,02° mit einer Scanrate von 0,40°/min im Winkelbereich (2Θ) von 10° bis 120° verwendet. Zur Identifizierung der Phasen im XRD-Spektrum wurden das DIFFRAC.EVA-Programm und die PDF#2-Datenbank des International Center for Diffraction Data (ICDD) eingesetzt. Die genauen Gitterparameter und die Kristallitgröße der angepassten Phasen wurden mithilfe der Rietveld-Verfeinerung im TOPAS 6-Programm auf der Grundlage der Williamson-Hall-Theorie50,51 berechnet. Die Pseudo-Voigt-Funktion wurde zur Beschreibung von Beugungslinienprofilen bei der Rietveld-Verfeinerung angewendet. Der gewichtete Musterfaktor (Rwp), der erwartete R-Faktor (Rexp) und die Anpassungsgüte (GOF) wurden als numerische Kriterien für die Qualität der Anpassung berechneter an experimentelle Beugungsdaten verwendet52. Peakformen, Gitterparameter, Kristallitgröße und Gitterspannung wurden gleichzeitig verfeinert50,51,53.

Das DRS-Spektrum der BiSI-Nanostäbe wurde bei Raumtemperatur mit einem PC-2000-Spektrophotometer (Ocean Optics Inc.) aufgezeichnet, das an die Ulbrichtkugel ISP-REF (Ocean Optics Inc.) angeschlossen war. Die Probe für optische Messungen wurde wie folgt vorbereitet. Eine kleine Menge Material wurde zu Ethanol gegeben und 30 Minuten lang mit Ultraschall gerührt. Anschließend wurde die Suspension von BiSI-Nanostäben in Ethanol mehrmals auf ein Glassubstrat getropft. Die Materialabscheidung wurde fortgesetzt, bis das Glassubstrat vollständig mit BiSI beschichtet war. Danach wurde die Probe bei Raumtemperatur getrocknet, um das Ethanol zu verdampfen.

Es wurden zwei Arten von Fotodetektoren konstruiert. Der erste wurde wie folgt hergestellt. Die BiSI-Nanostäbe wurden in Ethanol dispergiert und 1 Stunde lang mit Ultraschall gerührt. Anschließend wurde die BiSI-Suspension in Ethanol auf die Glasplatte getropft und getrocknet. Dieser Vorgang wurde mehrmals wiederholt, bis die Glasplatte vollständig mit BiSI beschichtet war. Die Goldelektroden mit einem Abstand von 385 µm wurden mit dem Rotationspumpenbeschichter Q150R ES (Quorum Technologies Ltd.) auf den BiSI-Film gesputtert. Die Goldschichten wurden aufgrund ihrer hohen Qualität und chemischen Stabilität als Materialien für die Fotodetektorelektroden ausgewählt54. An den Probenelektroden wurden dünne Metalldrähte mit einer hochreinen Silberpaste befestigt. Der zweite Typ von Fotodetektoren wurde gemäß dem unten beschriebenen Verfahren hergestellt. Die BiSI-Nanostäbe (200 mg) wurden in Ethanol (12 ml) dispergiert und mit Ultraschall gerührt. Die Suspension von BiSI-Nanostäben in Ethanol wurde auf ein mit einer Indiumzinnoxidschicht (ITO) beschichtetes Polyethylenterephthalat (PET)-Substrat tropfengegossen. Anschließend wurde die Probe getrocknet. Der Tropfenguss wurde 20 Mal wiederholt, um eine dichte BiSI-Schicht auf der ITO-Elektrode zu erreichen. Im nächsten Schritt wurde die Probe 1 Stunde lang auf eine Temperatur von 333 K erhitzt, um das restliche Ethanol zu verdampfen. Das Kaliumhydroxid (KOH) (1 g) wurde in entionisiertem Wasser (6 ml) gelöst und 1 Stunde lang bei 333 K gerührt. Der Poly(vinylalkohol) (PVA) (1,5 g) wurde in entionisiertem Wasser (10 ml) gelöst. und 1 Stunde lang bei 353 K gerührt. Die wässrigen Lösungen von KOH und PVA wurden zusammengemischt und auf eine Temperatur von 353 K erhitzt. Ein Stück Filterpapier (AeroPress) mit einer durchschnittlichen Porengröße von 20 µm wurde auf das PET/ITO/ gelegt. BiSI-Beispiel. Es diente als Separator, der mit PVA-KOH-Lösung infiltriert war. Das mit ITO beschichtete PET wurde oben auf der Probe befestigt. Um eine gute Verbindung zwischen BiSI-, PVA-KOH- und ITO-Schichten zu gewährleisten, wurde die Probe in kleine Klammern eingespannt. Um einen verfestigten Gelelektrolyten zu erhalten, wurde die PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Probe 1,5 bzw. 12 Stunden lang erhöhten Temperaturen von 353 K und 323 K ausgesetzt.

Die hergestellten Proben wurden in die H-242-Umwelttestkammer (Espec) eingesetzt und als Fotodetektoren getestet. Die Messungen der photoelektrischen Eigenschaften von BiSI-Nanostäben wurden bei einer konstanten Temperatur von 293 K und einer relativen Luftfeuchtigkeit (RH) von 50 % durchgeführt. Die photoelektrische Reaktion der BiSI-Nanostäbe wurde bei einer konstanten Vorspannung mit dem Elektrometer Keithley 6517B (Tektronix) registriert. Im Fall des Au/BiSI/Au-Fotodetektors wurde eine Vorspannung von 50 V angelegt. Dieser Wert der Vorspannung (oder sogar noch höher) wurde üblicherweise für andere Fotodetektoren55,56,57,58 verwendet. Darüber hinaus führt das Anlegen einer höheren Spannung dazu, dass eine größere Photostrom-Reaktion des Photodetektors erreicht wird. Dadurch kann auch das Rauschen reduziert und die Präzision der Messungen erhöht werden. Die Datenerfassung erfolgte mit einem PC-Computer und dem Programm LabView (National Instruments). Der BiSI-basierte Fotodetektor wurde mit blauem (λ = 488 nm) und rotem (λ = 632,8 nm) Licht beleuchtet, das von einem Argonlaser Reliant 50 s (Laser Physics) bzw. einem Heliumneonlaser 25-LHP (Melles Griot) emittiert wurde. Die Strahlung wurde mithilfe der optischen UV-VIS-Faser vom Laser zum Fotodetektor übertragen. Zur Anpassung der Lichtintensität wurden Neutralfilter eingesetzt.

Abbildung 2 zeigt TEM-Bilder des vorbereiteten Materials. Das BiSI wies eine eindimensionale Struktur mit Längen von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern auf (Abb. 2a). Die klaren Gitterränder wurden im HRTEM-Bild der Nanostabspitzen beobachtet (Abb. 2d). Der ermittelte interplanare Abstand d = 0,425(1) nm entsprach innerhalb einer experimentellen Unsicherheit dem Abstand von 0,4259 nm zwischen (200)-Ebenen im orthorhombischen BiSI (PDF 00-043-0652). Der gleiche interplanare Abstand wurde in den HRTEM-Bildern der mit der Solvothermalmethode hergestellten BiSI-Nanostäbe beobachtet13,18. Die Gitterränder von 0,302(1) nm und 0,273(3) wurden als interplanare Abstände von 0,3027 nm bzw. 0,2736 nm zwischen (121)- und (310)-Ebenen identifiziert. Dadurch konnte bestätigt werden, dass die in Abb. 2 gezeigten Nanostäbe zum reinen orthorhombischen BiSI gehören. Die Gitterränder, die der (121)-Kristallebene von BiSI entsprechen, wurden auch im Fall von BiSI-Nanostäben berichtet, die aus Lösung4,14 und durch die Solvothermalmethode12 hergestellt wurden. Die Elementkartierung des Nanostabbündels ist in Abb. S1 in den „Ergänzenden Daten“ dargestellt. Die erwarteten Elemente (Wismut, Schwefel und Jod) waren gleichmäßig in den BiSI-Nanostäben verteilt. Dies deutete auf die Bildung der reinen BiSI-Phase hin.

TEM-Bilder der BiSI-Nanostäbe (ad), aufgenommen bei unterschiedlichen Vergrößerungen. Die Abbildungen (c,d) stellen die vergrößerten Bereiche dar, die jeweils durch die rot gestrichelten Rechtecke in den Abbildungen (b,c) markiert sind. Die Gitterränder von 0,425(1) nm, 0,302(1) nm und 0,273(3) nm entsprechen den interplanaren Abständen zwischen den (200)-, (121)- und (310)-Ebenen des orthorhombischen BiSI (Beugungskarte Nr. PDF 00-043-0652).

Das vorbereitete Material wurde auf dem Siliziumwafer abgeschieden und mittels REM-Mikroskopie untersucht (Abb. 3). Das Material bestand aus kristallinen stäbchen- oder nadelförmigen Nanostrukturen mit zufälliger Anordnung. Die BiSI-Nanostäbe neigten dazu, zu Bündeln zu agglomerieren (Abb. 3a – c). Allerdings wurden auch die einzelnen Nanostäbe beobachtet. Ein typischer einzelner BiSI-Nanostab mit einem Durchmesser von 73 nm und einer Länge von 1,09 µm ist in Abb. 3d dargestellt. Das beobachtete Wachstum des Materials zu gebündelten eindimensionalen Nanostäben stimmt mit der in der Literatur berichteten BiSI-Kristallstruktur überein. Das BiSI besitzt die Form einer binären Schraubenachse, die durch eine starke kovalente Bi-S-Bindung miteinander verbunden ist, während das Halogenanion eine ionische Bindung mit einer kovalenten Bindungsbrücke aufweist1. Die [(BiSI)∞]2-Doppelketten sind durch schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen verbunden und entlang der c-Achse ausgerichtet13.

Typische REM-Aufnahmen der BiSI-Nanostäbchenbündel (a–c) und eines einzelnen BiSI-Nanostäbchens (d), abgeschieden auf einem Si-Substrat.

SEM- und TEM-Bilder wurden analysiert, um die Verteilung, Durchschnittswerte und Medianwerte der BiSI-Nanostäbchenabmessungen zu bestimmen. Die Durchmesser- und Längenmessungen wurden an 750 bzw. 250 zufällig ausgewählten Nanostäben durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Verteilung der BiSI-Dimensionen (Abb. 4) gut einer Log-Normal-Funktion folgte59,60

Dabei bezeichnet x die Nanostababmessung (Durchmesser oder Länge), xm ist der Medianwert der Nanostababmessung, σ bedeutet eine Standardabweichung und A ist ein konstanter Parameter. Normalerweise beschreibt die Log-Normal-Funktion die Größenverteilung von Nanostäben14,61,62,63,64, Nanodrähten65,66 sowie Nanopartikeln60,67,68. Die Durchmesser der BiSI-Nanostäbe wurden in einem breiten Bereich von etwa 15 nm bis 530 nm beobachtet, während die meisten von ihnen zwischen 50 und 100 nm schwankten (Abb. 4a). Die Durchschnitts- und Medianwerte der Nanostäbchendurchmesser betrugen da = 126(3) nm bzw. dm = 99(2) nm. Die Längen der BiSI-Nanostäbe lagen im Bereich von etwa 190 nm bis 10,2 µm (Abb. 4b). Die meisten Nanostäbe waren länger als 1 µm und kürzer als 2 µm. Es wurden die durchschnittliche Länge von La = 1,9(1) µm und die mittlere Länge von Lm = 1,65(5) µm ermittelt.

Verteilung der Durchmesser (a) und Längen (b) der BiSI-Nanostäbe. Die schwarzen Linien stellen die logarithmische Normalverteilung dar, wie in Gleichung beschrieben. (1). Die angepassten Parameter von Gl. (1) sind im Text angegeben. Die eingefügten Tabellen zeigen ermittelte Durchschnitts- und Medianwerte der Durchmesser und Längen von BiSI-Nanostäben.

Tabelle 1 zeigt einen Überblick über die in der Literatur angegebenen Größen eindimensionaler BiSI-Nanostrukturen. Die in diesem Artikel vorgestellten BiSI-Nanostäbe wiesen einen ähnlichen Durchmesserbereich auf wie diejenigen, die mit der Solvothermalmethode hergestellt wurden10,12,13,14,36. Allerdings waren die hier beschriebenen BiSI-Nanostäbe statistisch gesehen kürzer als andere 1D-BiSI-Nanostrukturen3,4,18,39. Dieser Unterschied könnte auf die unterschiedlichen Synthesebedingungen zurückzuführen sein. Sowohl die Temperatur69 als auch die Zeit70,71 der Synthese können die Länge der Nanostäbe beeinflussen. Es sollte betont werden, dass hydrothermale und solvothermale Methoden den Einsatz hoher Temperaturen (typischerweise 453 K10,12,14,36) und langer Reaktionszeiten (15–30 h3,4,10,12,14,15,39) erfordern. In unserem in dieser Arbeit vorgeschlagenen Ansatz werden die Synthesetemperatur und -zeit deutlich auf 393 K bzw. 5 Stunden reduziert. Darüber hinaus ist diese Herstellungsmethode einfach und erfordert keine komplexe oder teure Ausrüstung.

Die EDS-Analyse bestätigte, dass das Material nur aus Wismut (Bi), Schwefel (S) und Jod (I) bestand, mit einem elementaren Atomverhältnis von 0,45:0,21:0,34 für Bi, S bzw. I. Das EDS-Spektrum wurde korrigiert, indem das vom Silikonsubstrat (Si) stammende Signal entfernt wurde. Es wurden keine weiteren Elemente nachgewiesen, was auf eine hohe Reinheit des Materials schließen lässt. Ein ähnlicher Mangel an Schwefel wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) der aus einer einzelnen Vorläuferlösung hergestellten BiSI-Dünnfilme23 und die Schwefelung des BiOI in verdünntem H2S-Gas17 nachgewiesen. Eine schwefelarme Zusammensetzung wurde auch im Fall eindimensionaler BiSI-Nanostrukturen berichtet, die mithilfe der Solvothermalmethode hergestellt wurden16. Die EDS-Elementarkartierung und der Linienscan der auf Si-Substrat abgeschiedenen BiSI-Nanostäbe sind in den „Ergänzenden Daten“ in den Abbildungen dargestellt. S2 bzw. S3. Die Verteilungen von Wismut, Schwefel und Jod waren über die Probenoberfläche und entlang der BiSI-Nanostäbe nahezu homogen.

Das Röntgenbeugungsmuster des hergestellten Materials ist in Abb. 5 dargestellt. Es bestand aus hohen, scharfen Peaks, die auf eine hohe Kristallinität des untersuchten Materials hinweisen. Als Hauptphase wurde das orthorhombische BiSI identifiziert. Es wurden auch einige Rückstände festgestellt. Zwei starke Peaks bei 23,8° und 28,1° sowie schwache Peaks bei 17°, 26°, 32°, 45°, 51,6°, 52,5° und 63° wurden als typisch für das hexagonale Bi13S18I24,72 identifiziert. Die quantitative Analyse bestätigte eine große Menge an BiSI-Phase (87 %) und eine geringe Menge an Bi13S18I2-Phase (13 %), ohne dass andere Restphasen vorhanden waren. Die Ergebnisse der Rietveld-Verfeinerung sind in Abb. S4 und Tabelle S1 in den „Ergänzenden Daten“ dargestellt. Es wurde eine gute Anpassung ausgewählter Phasen an das erfasste Muster erzielt. Es wurden eine leichte Vergrößerung des Kristallgitters und eine hohe Gitterspannung beobachtet. Diese Effekte können wahrscheinlich dem Herstellungsverfahren des Materials zugeschrieben werden, was zu geringfügigen Fehlpassungen der Atome in der Kristallstruktur führt. Es ist zu beachten, dass das Wachstum der BiSI-Nanostäbe aus der Lösung normalerweise mit der Bildung von restlichem Bi13S18I24,18 einhergeht. Groom und Mitarbeiter72,73 zeigten, dass die Jodkonzentration im S/I2-Fluss und die Temperatur der Reaktion entscheidende Parameter sind, die die genauen Mengen an BiSI und Bi13S18I2 im Endprodukt beeinflussen.

Röntgenbeugungsmuster des vorbereiteten Materials. Die XRD-Peaks wurden den Phasen BiSI (blaues umgekehrtes Dreieck) und Bi13S18I2 (roter Kreis) zugeordnet.

Das diffuse Reflexionsspektrum der BiSI-Nanostäbe ist in Abb. 6a dargestellt. Es zeigte eine deutliche Absorptionskante bei einer Photonenwellenlänge von etwa 750 nm. Die Werte des diffusen Reflexionskoeffizienten (Rd) wurden unter Verwendung einer bekannten Gleichung in die Kubelka-Munk-Funktion umgewandelt

Das diffuse Reflexionsspektrum (a) und das Tauc-Diagramm (b) für die BiSI-Nanostäbe. Ein Einschub in Abbildung (a) zeigt ein Foto des BiSI-Nanostäbchenfilms, der auf einer Glasplatte abgeschieden ist. Die rote Kurve in Abbildung (b) stellt die am besten angepasste Abhängigkeit dar, die durch Gleichung beschrieben wird. (3).

Die Kubelka-Munk-Funktion ist proportional zum Absorptionskoeffizienten74. Die Bandlückenenergie (Eg) des untersuchten Materials wurde durch Anwendung der Tauc-Formel18,32 bestimmt

wobei hν die einfallende Photonenenergie ist, A und n Konstanten sind. Der Exponent n ist bei den erlaubten direkten bzw. indirekten Übergängen gleich 1/2 bzw. 2. Der Wert von n wurde auf 1/2 gesetzt, da BiSI als Halbleiter mit direkter Energiebandlücke angesehen wird8,17,20,23. Die Energiebandlücke von 1,67 (1) eV wurde durch Extrapolation der geraden Linie auf Nullabsorption im Diagramm der transformierten Kubelka-Munk-Funktion gegenüber der Photonenenergie bestimmt (Abb. 6b). Der berechnete Wert von Eg wurde mit Literaturdaten für BiSI verglichen (Tabelle 2). Man kann sehen, dass die Energiebandlücke von BiSI in einem breiten Bereich von 1,33 eV32 bis 1,8 eV15,22,37 liegt. Der Wert der Energiebandlücke von BiSI kann von vielen Faktoren abhängen, einschließlich der Materialmorphologie75, der Größe der Mikro-/Nanostrukturen76,77 und der Materialdicke17. Der ermittelte Eg-Wert ermöglicht die eindeutige Identifizierung der Hauptphase des untersuchten Materials als BiSI, da die indirekte und direkte Bandlücke von Bi13S18I2 bei Raumtemperatur viel geringer sind und 0,73 eV bzw. 1,06 eV78 betragen.

Es wurden zwei Arten von Fotodetektoren untersucht. Der erste bestand aus einem auf dem Glassubstrat abgeschiedenen BiSI-Film (Abb. 7a). Abbildung 7b zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien dieses Geräts, gemessen im Dunkeln und unter monochromatischer Lichtbeleuchtung. Der BiSI-Fotodetektor wurde mit blauem (λ = 488 nm) und rotem (λ = 632,8 nm) Licht beleuchtet, um seine Eignung für die Detektion des gesamten sichtbaren Spektrums zu demonstrieren. In beiden Fällen war die Lichtintensität gleich (127 mW/cm2). Es wird erwartet, dass es eine Bandbiegung am Au/BiSI-Übergang gibt. Eine Photostromerzeugung im Au/BiSI/Au-Gerät und Energiebanddiagramme im Dunkeln und unter heller Beleuchtung sind in Abb. S5 in den „Ergänzenden Daten“ dargestellt. Die Übergangseigenschaften des Photostroms, die bei einer konstanten Vorspannung unter roter (λ = 632,8 nm) und blauer (λ = 488 nm) Lichtbeleuchtung registriert wurden, sind in Abb. 7c bzw. d dargestellt. Ein Einfluss der Lichtintensität auf die transienten Eigenschaften des Photostroms wurde untersucht (Abb. 7d). Eine Erhöhung der Lichtintensität führte zu einer deutlichen Verstärkung des Photostroms. Die Reaktion des Au/BiSI/Au-Fotodetektors zeigte eine ausgezeichnete Wiederholbarkeit. Eine Stabilität der Photostromreaktion ist ein wichtiges Merkmal des Photodetektors79,80,81,82,83. Es ist hervorzuheben, dass die Reaktion des Photostroms keine Drift aufwies, was eine gute Stabilität des Gerätebetriebs beweist (Abb. 7d). Die Abhängigkeit der Lichtintensität vom Photostrom (Abb. 7e) ließ sich am besten mit der bekannten Potenzgesetzgleichung84,85,86,87 anpassen

Dabei ist IPC0 eine Konstante, IL bedeutet Lichtintensität und γ ist der Leistungsexponent, der von der Lichtwellenlänge abhängt. Für λ = 488 nm wurde der Koeffizient γ = 0,49(2) ermittelt. Der Wert von γ < 1 deutete auf den Photogating-Effekt88 als dominanten Mechanismus der Photostromerzeugung hin. Dies kann wahrscheinlich auf die Existenz der Einfangzustände in den BiSI-Nanostäben zurückgeführt werden84.

(a) Ein Schema des vorgespannten Fotodetektors, bestehend aus einem BiSI-Nanostabfilm auf einem Glassubstrat mit gesputterten Au-Elektroden, (b) Strom-Spannungs-Kennlinien des Au/BiSI/Au-Fotodetektors, gemessen im Dunkeln und unter monochromatischer Lichtbeleuchtung (IL = 127). mW/cm2), (c) transiente Eigenschaften des Photostroms, registriert bei einer konstanten Vorspannung (U = 50 V, T = 293 K, RH = 50 %, λ = 632,8 nm, IL = 127 mW/cm2), (d) Übergangseigenschaften des Photostroms, gemessen für verschiedene Lichtintensitäten bei konstanter Vorspannung (U = 50 V, T = 293 K, RH = 50 %, λ = 488 nm, ILmax = 127 mW/cm2), (e) Einfluss der Lichtintensität auf Photostrom (λ = 488 nm), (f) einzelner Zyklus der Photodetektorbeleuchtung, der die Anstiegs- und Abfallzeiten darstellt (λ = 488 nm, IL = 104 mW/cm2). Ein Einschub in Abbildung (a) zeigt ein REM-Bild des BiSI-Films. Die Wörter „EIN“ und „AUS“ in den Abbildungen (c,d) beziehen sich auf die Beleuchtung des Fotodetektors bzw. den Dunkelzustand. Die rote Linie in Abbildung (e) stellt die am besten angepasste Abhängigkeit dar, die durch Gleichung beschrieben wird. (4).

Ein typischer Einzelzyklus der normalisierten Reaktion des BiSI-Fotodetektors ist in Abb. 7f dargestellt. Die Anstiegs- (tr) und Abfallzeiten (tf) wurden als Zeitintervalle zwischen 10 und 90 % des maximalen Photostroms an der Anstiegs- bzw. Erholungsflanke berechnet17,84. Abbildung S6 in den „Ergänzenden Daten“ zeigt den Einfluss der Lichtintensität auf die Anstiegs- und Abfallzeiten, gemittelt über mehrere EIN/AUS-Zyklen der Fotodetektorbeleuchtung (Abb. 7d). Eine Erhöhung des IL führte dementsprechend zu einer leichten und signifikanten Verringerung von tr und tf. Dieser Effekt wurde auch bei den anderen Fotodetektoren berichtet, die auf dem BiSI-Film17, dem Ga2O3-Film89 und den ZnO-Nanodrähten90 basieren. Für die höchste Lichtintensität (IL = 127 mW/cm2) wurden die Anstiegszeit tr = 5,9(16) s und die Abfallzeit tr = 14(7) s ermittelt. Es wurde beobachtet, dass die Anstiegszeit kürzer ist als die Abklingdauer, was stark darauf hindeutet, dass Fallen- und Defektzustände beteiligt waren. Das Rose-Modell, das vorschlägt, dass Fallen und Defektzustände mit variabler Konzentration in der Bandlücke verteilt sind, stimmt gut mit der Verkürzung der Anstiegs- und Abfallzeit mit zunehmender Lichtintensität überein. Da sich der Halbleiter bei Beleuchtung nicht im thermischen Gleichgewicht befindet, werden in den BiSI-Nanostäben zusätzliche Elektronen und Löcher erzeugt. Dadurch werden zwei Quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher induziert. Mit steigender Lichtintensität verschieben sich die Quasi-Fermi-Niveaus für Elektronen und Löcher in Richtung Leitungs- bzw. Valenzband, und immer mehr Fallen werden zu Rekombinationsstellen. Dadurch verkürzen sich die Anstiegs- und Abfallzeiten drastisch91.

Zur Charakterisierung der Erfassungsleistung der Fotodetektoren werden üblicherweise verschiedene Gütezahlen verwendet, darunter Reaktionsfähigkeit (Rλ), externe Quanteneffizienz (EQE) und Detektivität (D). Diese Parameter werden durch die folgenden Gleichungen92,93 beschrieben

Dabei ist IPC ein Photostrom, Popt eine optische Leistungsdichte, IL die Lichtintensität, S die effektive Beleuchtungsfläche des Geräts, h = 6,63 × 10–34 J s die Plancksche Konstante und c = 3 × 108 m/s Lichtgeschwindigkeit, q = 1,6 × 10–19 C ist die Elementarladung, R·S ist das Widerstandsflächenprodukt, kB = 1,38 × 10–23 J/K ist die Boltzmann-Konstante und T bedeutet Temperatur. Die Empfindlichkeit von 64(2) nA/W, die externe Quanteneffizienz von 1,63(5) × 10–5 % und die Detektivität von 1,27(5) × 108 Jones wurden für den Au/BiSI/Au-Fotodetektor unter Blaulichtbeleuchtung bestimmt ( λ = 488 nm, IL = 12,7 mW/cm2). Es sollte betont werden, dass eine Erhöhung der Lichtintensität die Reaktionsfähigkeit, die externe Quanteneffizienz und die Detektivität des Fotodetektors stark verringert17,84. Daher sollte eine Anwendung einer viel geringeren Lichtintensität zu einer deutlichen Verbesserung der Rλ-, EQE- und D-Parameter führen. Solche Experimente werden in Zukunft durchgeführt.

Tabelle 3 zeigt die in der Literatur veröffentlichten Daten für Fotodetektoren, die aus verschiedenen Wismutchalkhalogenid-Nanomaterialien hergestellt wurden. Der auf den BiSI-Nanostäben basierende Fotodetektor zeigte eine kürzere Anstiegszeit als die, die für den BiOCl-TiO2-Heteroübergang87 ermittelt wurde. Darüber hinaus zeigte es einen verbesserten γ-Leistungskoeffizienten im Vergleich zu den BiSeI-Mikro-/Nanodrähten84, was eine bessere Empfindlichkeit der Photostromreaktion auf die Änderung der Lichtintensität bewies.

Der zweite Typ der untersuchten Fotodetektoren war ein flexibler, fotoaufladbarer BiSI-Kondensator (Abb. 8a). Es bestand aus dem BiSI-Nanostabfilm und dem PVA-KOH-Gelelektrolyten, der zwischen den ITO-beschichteten PET-Substraten angeordnet war. Als lichtabsorbierendes Material diente das BiSI. Die poröse Struktur des Films, bestehend aus zufällig ausgerichteten BiSI-Nanostäben (Abb. 8b), ermöglichte eine höhere Ionendiffusion aus dem Elektrolyten94,95. Abbildung 8c zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien des PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Geräts, aufgezeichnet im Dunkeln und unter Beleuchtung mit blauem (λ = 488 nm) und rotem (λ = 632,8 nm) Licht. Abbildung 8d zeigt die Übergangscharakteristik der Leerlauf-Photospannung des PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Kondensators, wenn keine Belastung auf das Gerät ausgeübt wurde (α = 180°). Der Maximalwert der Photospannung erreichte 68 mV unter monochromatischer Lichtbeleuchtung (λ = 488 nm, IL = 127 mW/cm2). Nachdem die untere ITO-Elektrode beleuchtet wurde (Abb. 8a), wurden die Ladungsträger innerhalb des BiSI-Films erzeugt und beteiligten sich an der Anordnung der Elektrolytionen . Die photogenerierten Elektronen wurden in die ITO-Elektrode injiziert. Da nur eine Seite des Geräts beleuchtet wurde, kam es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Ladungsträger in beiden Elektroden, was zur Bildung der Leerlauf-Photospannung führte. Der Kurzschlussstrom wurde erhöht bzw. verringert, wenn der Ar-Laser ein- bzw. ausgeschaltet wurde (Abb. 8e).

(a) Ein Schema des flexiblen, fotoaufladbaren Detektors, bestehend aus einem BiSI-Nanostäbchenfilm, einer PVA-KOH-Gelelektrolytschicht und ITO-Elektroden auf PET, (b) SEM-Aufnahme eines auf der ITO-Elektrode abgeschiedenen BiSI-Nanostäbchenfilms, (c) Strom-Spannung Eigenschaften des PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Fotodetektors, gemessen im Dunkeln und unter monochromatischer Lichtbeleuchtung (IL = 127 mW/cm2), transiente Eigenschaften von (d) Leerlaufspannung, Kurzschluss-Fotostrom Dichte registriert im (e) Originalzustand (α = 180°) und (f) gebogenen Zustand (α = 60°) des PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Fotodetektors (T = 293 K, RH). = 50 %, λ = 488 nm, IL = 127 mW/cm2).

Die photoelektrische Reaktion des PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Kondensators wurde für eine größere Anzahl von EIN/AUS-Zyklen mit kürzeren Zeitintervallen untersucht (Abb. S7 in den „Ergänzenden Daten“). Es zeigte sich eine bemerkenswerte Wiederholbarkeit der Reaktion des BiSI-Fotodetektors. Allerdings wurde mit zunehmender Anzahl der EIN/AUS-Zyklen eine leichte Abnahme der Amplitude des Kurzschluss-Photostroms beobachtet (Abb. 8e und Abb. S7b). Dieser Effekt könnte auf den Abbau des PVA-KOH-Gelpolymerelektrolyten zurückzuführen sein97. Die im Originalzustand (α = 180°) registrierten Zeitabhängigkeiten der Photospannung (Abb. 8d, Abb. S7a) und des Photostroms (Abb. 8e, Abb. S7b) ähnelten denen, die für andere photoaufladbare Kondensatoren berichtet wurden . Das nicht nur quantitativ, sondern auch qualitativ unterschiedliche Einschwingverhalten des BiSI-Fotodetektors wurde gemessen, als das Gerät im Winkel von α = 60 ° gebogen wurde (Abb. 8f). Ein starker Einfluss der Biegung auf die Photostromreaktion deutete auf eine mögliche Anwendung des Geräts als Verformungssensor hin. Das Ansprechverhalten, die externe Quanteneffizienz und die Detektivität des PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Kondensators wurden unter Verwendung der Gleichungen berechnet. (5–7). Wenn der Kondensator mit blauem Licht (λ = 488 nm, IL = 127 mW/cm2) beleuchtet wurde und keine Belastung auf das Gerät ausgeübt wurde, waren die Gütezahlen wie folgt: Rλ = 8,7(8) nA/W, EQE = 2,2( 2) × 10–6 % und D = 6,3(6) × 106 Jones.

Die fotoelektrische Leistung verschiedener fotoaufladbarer Kondensatoren ist in Tabelle 4 dargestellt. Die meisten dieser Geräte sind steif. Es schränkt ihre möglichen Anwendungen ein. Dieser Nachteil wurde beim flexiblen PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Fotodetektor beseitigt. Darüber hinaus war die in diesem Gerät erzeugte Photospannung höher als die Werte dieses Parameters, die für SiO2/ITO/PANI/PVA-H2SO4/PANI-CNT/PET98- und SiO2/ITO/BiSI/PVA-KOH/BiSI/ITO/SiO232-Kondensatoren angegeben wurden.

Die BiSI-Nanostäbe wurden mit einem einfachen nasschemischen Verfahren hergestellt. Das hochreine Material wurde bei relativ niedriger Temperatur (393 K) mit kostengünstigen und einfachen Geräten hergestellt. Darüber hinaus war die Synthese des Materials innerhalb von 5 Stunden abgeschlossen. Dies ist ein großer Vorteil im Vergleich zur Herstellung von BiSI mithilfe hydrothermischer oder solvothermaler Methoden, die eine hohe Temperatur (typischerweise 453 K) und eine lange Reaktionszeit (über 15 Stunden) erfordern. Die BiSI-Nanostäbe wurden durch die Anwendung vieler verschiedener experimenteller Techniken charakterisiert, darunter HRTEM, SEM, EDS, XRD und DRS. Als Hauptphase des synthetisierten Materials wurde das orthorhombische BiSI identifiziert. Die eindimensionale Morphologie von BiSI-Nanokristallen wurde enthüllt. Die Verteilung der Abmessungen der BiSI-Nanostäbe folgte gut einer logarithmischen Normalfunktion. Der durchschnittliche Durchmesser und die Länge der BiSI-Nanostäbe betrugen 126(3) nm bzw. 1,9(1) µm. Die nachgewiesenen chemischen Elemente (Wismut, Schwefel und Jod) waren homogen in den BiSI-Nanostäben verteilt. Die direkte Energiebandlücke von 1,67(1) eV wurde bestimmt und bestätigt, dass sie mit den Literaturdaten für BiSI übereinstimmt.

Die beiden Gerätetypen wurden aus BiSI-Nanostäben hergestellt und als Fotodetektoren getestet. Der erste bestand aus einem BiSI-Film, der auf dem steifen Glassubstrat abgeschieden und mit Au-Elektroden ausgestattet war. Die Photostromreaktion des Au/BiSI/Au-Photodetektors unter monochromatischer Lichtbeleuchtung (488 nm) wurde bei einer konstanten Vorspannung gemessen. Die Reaktion des BiSI-Fotodetektors zeigte eine hervorragende Wiederholbarkeit und Stabilität. Es wurde festgestellt, dass der Einfluss der Lichtintensität auf den Photostrom dem bekannten Potenzgesetz folgt. Der relativ hohe Leistungskoeffizient von 0,49(2) deutete auf eine gute Empfindlichkeit der Photostromreaktion auf die Änderung der Lichtintensität hin. Der zweite Typ der untersuchten Fotodetektoren war ein flexibler, fotoaufladbarer Kondensator, der den BiSI-Nanostabfilm und den PVA-KOH-Gelelektrolyten zwischen den ITO-Elektroden enthielt. Das mehrschichtige PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Gerät wurde zur Erkennung von Ar-Laserstrahlung verwendet, ohne dass eine externe Stromversorgung für den Fotodetektor erforderlich war. Die photoelektrische Reaktion des Geräts wurde im Originalzustand registriert und es wurde um 60° gebogen. Wenn keine Spannung auf den PET/ITO/BiSI/PVA-KOH/ITO/PET-Kondensator ausgeübt wurde, erzeugte er eine Leerlauf-Photospannung von 68 mV und Kurzschluss-Photostromdichte von 0,11 nA/cm2 unter Beleuchtung mit einer Lichtintensität von 0,127 W/cm2. Es wurde ein starker Einfluss der Biegung auf die Photostromreaktion beobachtet. Es ist vielversprechend für zukünftige Anwendungen des BiSI-Kondensators als Verformungssensor. Es wurde gezeigt, dass die BiSI-Nanostäbe ein großes Potenzial für den Einsatz in flexiblen, fotoaufladbaren Kondensatoren und selbstversorgten Fotodetektoren besitzen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Dieses Papier wurde von der Schlesischen Technischen Universität (Gliwice, Polen) durch das Habilitationsstipendium Nr. 14/010/RGH21/0008 des Rektors, das Stipendium des Rektors Nr. 14/010/RGJ23/0012 im Bereich wissenschaftliche Forschung und Entwicklung, gefördert Nr. BK-221/RM4/2023 (11/040/BK_23/0029) und Zuschuss Nr. BK RM0: 11/990/BK_23/0084. SH und HJK möchten sich für die Unterstützung durch das Basic Science Research Program durch die National Research Foundation of Korea (NRF) bedanken, das vom koreanischen Ministerium für Wissenschaft und IKT finanziert wird (2021R1C1C1011588).

Institut für Physik – Zentrum für Wissenschaft und Bildung, Schlesische Technische Universität, Krasińskiego 8, 40-019, Katowice, Polen

Krystian Mistewicz & Tushar Kanti Das

Abteilung für Industrieinformatik, Fakultät für Materialwissenschaften, Joint Doctorate School, Schlesische Technische Universität, Krasinskiego 8, 40-019, Katowice, Polen

Bartholomäus Nowacki

Abteilung für Industrieinformatik, Fakultät für Materialwissenschaften, Schlesische Technische Universität, Krasinskiego 8, 40-019, Katowice, Polen

Albert Smalcerz

Abteilung für Robotik und Mechatronik, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology, Daegu, 42988, Republik Korea

Hoe Joon Kim & Sugato Hajra

Zentrum für Polymer- und Kohlenstoffmaterialien, Polnische Akademie der Wissenschaften, M. Curie-Skłodowska 34, 41-819, Zabrze, Polen

Marcin Godzierz & Olha Masiuchok

Internationales polnisch-ukrainisches Forschungslabor zur Bildung und Charakterisierung fortschrittlicher Polymere und Polymerverbundwerkstoffe (ADPOLCOM), Kiew, Ukraine

Marcin Godzierz & Olha Masiuchok

EO Paton Electric Welding Institute, Nationale Akademie der Wissenschaften der Ukraine, 11 Kazymyr Malevych Str, Kiew, 03680, Ukraine

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Die Autoren erklären, dass KM das Projekt initiiert und überwacht, das Manuskript und die ergänzenden Daten verfasst, alle Abbildungen und Tabellen vorbereitet, SEM/EDS-Untersuchungen durchgeführt, die Verteilung der Nanostäbchenabmessungen bestimmt, DRS-Messungen durchgeführt und die Energiebandlücke berechnet hat, die Konfiguration der Fotodetektoren vorgeschlagen hat, registrierte und analysierte die Reaktionen der Fotodetektoren und stellte die Finanzierung bereit. TKD synthetisierte die BiSI-Nanostäbe und führte SEM/EDS-Untersuchungen durch. BN hat Fotodetektoren vorbereitet und untersucht. AS stellte die Finanzierung bereit. HJK und SH führten TEM-Untersuchungen durch und überprüften das Manuskript. MG und OM führten eine XRD-Untersuchung durch.

Korrespondent ist Krystian Mistewicz.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mistewicz, K., Das, TK, Nowacki, B. et al. Wismutsulfoiodid (BiSI)-Nanostäbe: Synthese, Charakterisierung und Fotodetektoranwendung. Sci Rep 13, 8800 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35899-7

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Eingegangen: 26. März 2023

Angenommen: 25. Mai 2023

Veröffentlicht: 31. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35899-7

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