Nanorods de sulfoiodeto de bismuto (BiSI): síntese, caracterização e aplicação de fotodetectores

Jun 23, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8800 (2023) Cite este artigo

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Os nanobastões de sulfoiodeto de bismuto (BiSI) foram sintetizados a uma temperatura relativamente baixa (393 K) através de um método químico úmido. A estrutura cristalina unidimensional (1D) dos nanorods BiSI foi confirmada usando microscopia de transmissão de alta resolução (HRTEM). A morfologia e a composição química do material foram examinadas por meio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios X (EDS), respectivamente. O diâmetro médio de 126(3) nm e o comprimento de 1,9(1) µm dos nanobastões BiSI foram determinados. A difração de raios X (XRD) revelou que o material preparado consiste em uma fase BiSI ortorrômbica maior (87%) e uma quantidade menor de fase hexagonal Bi13S18I2 (13%) sem presença de outras fases residuais. O gap de energia direta de 1,67(1) eV foi determinado para o filme BiSI usando espectroscopia de refletância difusa (DRS). Dois tipos de fotodetectores foram construídos a partir de nanorods BiSI. O primeiro foi um dispositivo fotocondutor tradicional baseado em filme BiSI em substrato de vidro rígido equipado com eletrodos de Au. Uma influência da intensidade da luz na resposta da fotocorrente à luz monocromática (λ = 488 nm) foi estudada em uma tensão de polarização constante. O novo dispositivo fotocarregável flexível foi o segundo tipo de fotodetectores preparados. Consistia em um filme de BiSI e uma camada de eletrólito em gel entre substratos de tereftalato de polietileno (PET) revestidos com eletrodos de óxido de índio e estanho (ITO). O fotodetector flexível autoalimentado BiSI exibiu fotovoltagem de circuito aberto de 68 mV e densidade de fotocorrente de curto-circuito de 0,11 nA/cm2 sob iluminação de luz com intensidade de 0,127 W/cm2. Esses resultados confirmaram o alto potencial dos nanobastões BiSI para uso em fotodetectores autoalimentados e capacitores fotocarregáveis.

O sulfoiodeto de bismuto (BiSI) é um semicondutor ternário que pertence à família dos calcohalídeos de materiais inorgânicos1,2. A estrutura cristalina do BiSI é descrita pelo grupo espacial ortorrômbico Pnam3,4. Este material cresce em cristais a granel em forma de agulha5,6,7, microrods unidimensionais (1D)8,9, nanorods10,11,12,13,14 e nanofios15. Os cristais BiSI consistem em [(BiSI)∞]2 cadeias duplas unidas pelas interações fracas de van der Waals1,16. As cadeias são orientadas ao longo do eixo c, ou seja, na direção [001]5,13,17. Portanto, este material possui propriedades ópticas e elétricas altamente anisotrópicas. O BiSI é um semicondutor do tipo n8,9,18,19 com gap de energia relatado na ampla faixa de 1,5 eV20 até 1,8 eV15,21,22. O BiSI é considerado um absorvedor solar eficiente para dispositivos fotovoltaicos8,21. Tem se mostrado um excelente fotocondutor com grande ganho fotocondutor17,23. Além disso, apresenta pequena massa efetiva de elétrons e lacunas, o que é benéfico para seu uso em detectores de radiação em temperatura ambiente1,24. O BiSI também é um material ferroelétrico25,26,27. Recentemente, uma condutividade térmica de rede ultrabaixa intrínseca de BiSI ortorrômbica foi revelada sugerindo que este composto é promissor para aplicações termoelétricas28. Até agora, o BiSI tem sido relatado como um excelente material para uso em fotodetectores17 de alto desempenho, células solares2,9,11,13,20,29,30, células fotoeletroquímicas8,19,31, supercapacitores3,4,32,33, recarregáveis baterias16, detectores de radiação ionizante em temperatura ambiente10,12, degradação fotocatalítica de poluentes orgânicos15,34,35 e produção de hidrogênio36.

O BiSI pode ser fabricado usando diferentes abordagens, incluindo método mecanoquímico de estado sólido37,38, crescimento hidrotérmico22,34,35,39, síntese solvotérmica10,12,14,18, método de precipitação em solução32, abordagem coloidal19, termólise20, crescimento em fase de vapor5,6 , e sulfurização do oxiiodeto de bismuto (BiOI) na presença de gás H2S diluído via troca aniônica do oxigênio com enxofre17,31. Normalmente, uma síntese de nanobastões BiSI é acompanhada com a formação de uma fase menor de Bi13S18I218 semelhante a uma haste ou BiOI32 semelhante a uma folha, dependendo do método de fabricação aplicado. Li e colaboradores18 demonstraram que o BiSI pode ser sintetizado sob baixa proporção de enxofre para bismuto. Quando este parâmetro é aumentado significativamente, o BiSI é convertido no Bi13S18I2. Muitos dos métodos de fabricação acima mencionados resultam na formação de filmes finos texturizados com orientação cristalina aleatória40. As microestruturas BiSI unidimensionais também crescem no ambiente natural. O BiSI também é conhecido como mineral demicheleita-(I). Em 2010, foi descoberto na cratera La Fossa na Ilha Vulcano (Itália)41.