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Jun 19, 2023

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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8800 (2023) Citar este artigo 1614 Acessar detalhes do Metrics Os nanobastões de sulfoiodeto de bismuto (BiSI) foram sintetizados em temperatura relativamente baixa (393

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8800 (2023) Citar este artigo

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Os nanobastões de sulfoiodeto de bismuto (BiSI) foram sintetizados a temperatura relativamente baixa (393 K) através de um método químico úmido. A estrutura cristalina unidimensional (1D) dos nanobastões BiSI foi confirmada usando microscopia de transmissão de alta resolução (HRTEM). A morfologia e a composição química do material foram examinadas através da aplicação de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDS), respectivamente. O diâmetro médio de 126 (3) nm e comprimento de 1,9 (1) µm dos nanobastões BiSI foram determinados. A difração de raios X (DRX) revelou que o material preparado consiste em uma fase BiSI ortorrômbica principal (87%) e uma quantidade menor de fase Bi13S18I2 hexagonal (13%) sem presença de outras fases residuais. O gap de energia direta de 1,67(1) eV foi determinado para filme BiSI usando espectroscopia de refletância difusa (DRS). Dois tipos de fotodetectores foram construídos a partir de nanobastões 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 iluminação de luz monocromática (λ = 488 nm) foi estudada a uma tensão de polarização constante. O novo dispositivo fotocarregável flexível foi o segundo tipo de fotodetectores preparados. Consistia em filme BiSI e camada de eletrólito em gel imprensada entre substratos de tereftalato de polietileno (PET) revestidos com eletrodos de óxido de índio e estanho (ITO). O fotodetector BiSI flexível e autoalimentado exibiu fototensão de circuito aberto de 68 mV e densidade de fotocorrente de curto-circuito de 0,11 nA/cm2 sob iluminação 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 calcohaletos de materiais inorgânicos . A estrutura cristalina do BiSI é descrita pelo grupo espacial Pnam ortorrômbico . Este material cresce em cristais a granel em forma de agulha 5,6,7, microbastões unidimensionais (1D) 8,9, nanobastões 10,11,12,13,14 e nanofios . Os cristais BiSI consistem nas cadeias duplas [(BiSI)∞]2 ligadas entre si pelas interações fracas de van der Waals . As cadeias são orientadas ao longo do eixo c, ou seja, 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 banda de energia relatada na ampla faixa de 1,5 eV20 a 1,8 eV15,21,22. O BiSI é considerado um absorvedor solar eficiente para dispositivos fotovoltaicos8,21. Foi demonstrado como um excelente fotocondutor com grande ganho fotocondutor . Além disso, apresenta pequena massa efetiva de elétrons e buracos, o que é benéfico para seu uso em detectores de radiação à temperatura ambiente . O BiSI também é um material ferroelétrico25,26,27. Recentemente, foi revelada uma condutividade térmica intrínseca de rede ultrabaixa do BiSI ortorrômbico, sugerindo que este composto é promissor para aplicações termoelétricas . Até agora, o BiSI tem sido relatado como um excelente material para uso em fotodetectores de alto desempenho17, células solares2,9,11,13,20,29,30, células fotoeletroquímicas8,19,31, supercapacitores3,4,32,33, recarregáveis baterias16, detectores de radiação ionizante à 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 enxofre . Normalmente, uma síntese de nanobastões BiSI é acompanhada pela formação de uma fase menor de Bi13S18I218 em forma de bastonete ou BiOI32 em forma de folha, dependendo do método de fabricação aplicado. Li e colaboradores 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 aleatória . As microestruturas unidimensionais BiSI também crescem no ambiente natural. O BiSI também é conhecido como mineral demicheleita-(I). Em 2010, foi descoberto na cratera La Fossa, na ilha de Vulcano (Itália)41.