新型铋基氧硫族低维材料的制备与光电性能研究

发布时间：2020-06-13 02:33

【摘要】：随着集成电路精度不断提升,器件的发展也趋向于小型化、高集成度、高存储密度、快速传输、大容量和智能控制,从而对材料的性能和尺寸的要求愈加严格。低维材料由于具有一些独特的热学、力学、磁学、光学和电学性能,在光电、生物医疗和能源等方面有较广泛的应用前景。相比于其他材料,新型层状铋基氧硫族低维材料具有出色的高迁移率半导体特性、较好的耐氧化性、比表面积较大等特性在新型光电器件和超级电容方面具有独特优势。本文分别以硝酸铋/柠檬酸铋铵为铋源,以硫脲为S源,在未添加金属熔盐的条件下,采用了温和的一步水热法制备了Bi_2O_2S低维材料;以柠檬酸铋铵为铋源,以亚硒酸钠为Se源,在未添加还原剂的条件下,采用了温和的一步水热法制备了Bi_2O_2Se低维材料;在此基础上分别制备了基于Bi_2O_2S和Bi_2O_2Se光电探测器,并研究了其光电性能,最后探索了Bi_2O_2S在超级电容器电极领域中的应用。分别以硝酸铋和柠檬酸铋铵为铋源,采用一步水热法合成Bi_2O_2S纳米片的试验表明:相比于硝酸铋,以柠檬酸铋铵为铋源,当矿化剂NaOH浓度为0.95 mol/L,醇水比为1:1,反应温度为200℃,反应时间为24 h时,所制备的单晶Bi_2O_2S为规则的长方形结构,且纳米片平均尺寸在1.0μm,单片最薄厚度4.6 nm。在不添加任何还原剂下时,采用一步水热法制备了Bi_2O_2Se低维材料,研究表明,在矿化剂KOH浓度为3.5 mol/L,反应温度为230℃,反应时间为24 h的条件下,所制备的Bi_2O_2Se低维材料是单晶结构,且具有很好的结晶性,最薄单片厚度仅为4.7 nm。发现以柠檬酸铋铵为铋源合成Bi_2O_2S材料时,柠檬酸根离子在层间插层,限制了材料沿c轴方向的生长,使得Bi_2O_2S材料可沿二维方向生长成片。基于热喷涂法制备Bi_2O_2S和Bi_2O_2Se薄膜光电探测器的研究表明,Bi_2O_2S基探测器在532 nm光照下其探测性能最佳;Bi_2O_2Se基探测器在785 nm光照时其探测综合性能最佳,均表现出优异的光电性能。在532 nm的光照射时,Bi_2O_2S基探测器的响应时间为81.9 ms,最高响应度可达0.059 A/W,最高探测率为6.77×10~9 Jones;在785 nm的光照射时,Bi_2O_2Se基探测器的响应时间为78.85 ms,最高响应度可达75.14 A/W,最高探测率为3.95×10~122 Jones,表现出较好的光电性能。此外,Bi_2O_2S为超级电容器电极材料的试验表明,以1 M KOH溶液为电解质、在三电极体系测试时,Bi_2O_2S电极具有较高的比电容(902.8 Fg~(-1)),同时保持较好的倍率性能;在掺入适量石墨烯之后,Bi_2O_2S/RGO电极不仅有较高的比电容(826.27 Fg~(-1)),同时显著地提高了其循环稳定性;在超级电容领域,有较好的应用前景。
【图文】：

图 1-1 铋氧硫材料的晶体结构[7]最近，北京大学的彭海琳课题组成功地采用化学气相沉积法合成了一种新型的具有弱层间静电相互作用的二维材料 Bi2O2Se[8]。该材料在低温下具有合适的带隙和超高的霍尔迁移率，更重要的是，即使在空气中暴露数月，也能表现出良好的环境稳定性。在合成 BiOSe 片材的启发下，，人们还注意到了 BiOT( Bi6O8S5)

图 1-2 铋氧硫族材料的几何结构[13]Bi2O2Se (Bi2O2Te)的晶胞 b）Bi2O2Se (Bi2O2Te)的原始晶胞 c）Bi2O2S 的原始表 1-1 Bi2O2Se，Bi2O2Te 和 Bi2O2S 材料的晶格常数[13]
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TB34

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本文编号：2710500