Points quantiques In₂S₃ de haute qualité synthétisés à température ambiante pour photodétecteurs UV ultra-sensibles

Résumé

Dans cette étude, nous introduisons une synthèse simple à température ambiante de points quantiques (PQ) In₂S₃ qui délivre une qualité cristalline supérieure et une distribution de taille étroite. En utilisant le sulfure de sodium, le chlorure d'indium et le dodécylsulfate de sodium comme surfactant, nous avons obtenu des PQ monodisperses avec un diamètre moyen de 2 nm. Les photodétecteurs fabriqués à partir de ces PQ démontrent une détectivité de ~10¹³ Jones sous illumination UV 365 nm à température ambiante, soulignant leur promesse pour des dispositifs optoélectroniques haute performance et faible coût.

Contexte

Les nanomatériaux bidimensionnels et zéro-dimensionnel ont révolutionné l'optoélectronique grâce à leurs propriétés électroniques et optiques exceptionnelles [1, 2]. Les points quantiques (PQ) en particulier offrent des bandes interdites ajustables et des rendements quantiques de photoluminescence élevés, les rendant attractifs pour le photovoltaïque, les photodétecteurs, le bio-imagerie et la photocatalyse [3–10]. Parmi les semiconducteurs III-VI, le sulfure d'indium (In₂S₃) PQ exhibe une bande interdite directe et une stabilité thermique et mécanique favorable, mais les voies de synthèse conventionnelles telles que l'hydrothermal, le template et les méthodes micro-ondes sont souvent limitées par la haute température, les longs temps de réaction ou le post-traitement complexe [12–15].

Pour surmonter ces défis, nous rapportons une synthèse douce, assistée par surfactant, qui produit des PQ In₂S₃ stables et de haute qualité à la pression atmosphérique et à température ambiante. Les PQ résultants sont caractérisés de manière extensive, et leur potentiel en photodétection UV est démontré par la fabrication de dispositifs et les métriques de performance.

Méthodes

Matériaux

Sulfure de sodium (Na₂S·9H₂O), chlorure d'indium (InCl₃·4H₂O), dodécylsulfate de sodium, et une membrane de dialyse en cellulose régénérée 300 Da ont été achetés auprès de fournisseurs commerciaux et utilisés sans purification supplémentaire.

Fabrication des PQ In₂S₃

La synthèse suit un protocole de mélange en deux étapes (Figure 1a). Des solutions 0,1 M Na₂S et 0,1 M InCl₃ ont été préparées dans l'eau déionisée. Chaque solution a été combinée avec 0,008 M SDS et agitée à 1500 tr/min pendant 20 min pour générer des complexes monodisperses. Le mélange Na₂S-SDS a ensuite été ajouté à la solution InCl₃-SDS, initiant une réaction rapide qui a produit une suspension jaune en 10 min. Le produit a été lavé par centrifugation (3000 tr/min, 5 min) et purifié par dialyse. Les PQ finaux ont été collectés à l'intérieur du sac de dialyse.

Caractérisation

La MET à haute résolution (JEM-2100, 200 kV) a examiné la morphologie des particules. Le MEB (FEI Quanta 200) et l'AFM (SPA-400) ont fourni des données de surface et topographie. L'XRD (Rigaku D/Max-RA) et le Raman (Renishaw in via) ont évalué la cristallinité. Les spectroscopies UV-vis, UV-vis-NIR (UV-3600) et de fluorescence (Hitachi F-7000) ont quantifié le comportement optique. L'XPS (PHI Versa Probe II) a vérifié la chimie de surface. La performance électrique a été évaluée à l'aide d'un sourcemeter Keithley 2400 pour les courbes J-V et d'un analyseur Keysight B1500A pour les mesures C-V.

Résultats et discussion

Études de structure et morphologie

Les figures 1b-e montrent que les PQ In₂S₃ sont sphéroïdaux, uniformément distribués, et exhibent une distribution de taille étroite suivant une tendance gaussienne (1–3 nm, FWHM = 1,12 nm ; moyenne = 2,02 nm). La MET à haute résolution révèle des espacements de réseau de 0,271 nm, 0,311 nm et 0,373 nm, correspondant aux plans 400, 222 et 220 de la phase cubique [18]. Le motif FFT confirme une structure cristalline bien définie. Les images MEB indiquent que les PQ s'agrègent en amas compacts, réduisant l'énergie de surface. Les pics XRD correspondent aux plans 400, 222 et 220, avec des tailles de particules calculées via l'équation de Scherrer en accord avec les mesures MET. Les pics Raman à 304 cm⁻¹ et 930 cm⁻¹ sont cohérents avec la littérature [19]. Les mesures de hauteur AFM (1,53–2,35 nm) corroborent la taille MET, donnant une hauteur moyenne de 1,94 nm.

En utilisant l'équation de Brus, les PQ exhibent une bande interdite confinée quantiquement de 3,50 eV, dépassant la valeur massive de 2,3 eV. Les spectres d'absorption UV-vis affichent deux pics à 225 nm et 283 nm (Figure 2a). La bande interdite est également extraite des graphiques (αhv)² vs hv, donnant 3,54 eV, en excellent accord avec l'estimation théorique.

Des pics de PL autour de 390 nm sous excitation 250 nm confirment une forte fluorescence UV, tandis que les pics PLE à 500–540 nm illustrent une gamme d'absorption élargie due au confinement quantique. L'XPS confirme la présence de liaisons In-S et S-C, avec Cl, Na, O et C mineurs provenant des réactifs et du surfactant.

Les photodétecteurs fabriqués avec ces PQ (Figure 3a) exhibent une responsivité de 4,13 A W⁻¹ à 1 V et une détectivité de 1×10¹³ Jones à 365 nm UV, surpassant de nombreux dispositifs à nanomatériaux 2D [24, 25]. Les caractéristiques I-V montrent un comportement rectifiant qui s'échelonne avec le biais inverse et la densité de puissance incidente.

Les mesures de résistance dépendantes de la température (Figure 4b) révèlent une légère diminution avec l'augmentation de la température, tandis que l'analyse ln ρ vs 1/T donne une énergie d'activation thermique de 0,011 eV et un facteur de doigt-directeur de 4,16×10⁸ Ω cm. Les études capacitance-fréquence (Figure 4d) indiquent des états d'interface qui amortissent les signaux AC aux hautes fréquences. Le profilage C-V fournit un potentielbuiltin de 0,6 V et une concentration de porteurs de 4,3×10¹⁹ cm⁻³, menant à une largeur de déplétion de 12,34 nm (Figure 4f). Ces paramètres sont comparables ou supérieurs à ceux rapportés pour les dispositifs à PQ de graphène [30, 31], expliquant la performance supérieure du photodétecteur.

Conclusions

Nous avons établi une voie rapide, à basse température, pour produire des PQ In₂S₃ cristallins avec une taille moyenne de 2 nm et une distribution de taille étroite. Ces PQ servent de couche photoactive efficace et autonome dans les photodétecteurs UV, atteignant une détectivité record de 2×10¹³ Jones à température ambiante sous illumination 365 nm sans amplification. La simplicité, le faible coût et l'évolutivité de la méthode la positionnent comme une plateforme convaincante pour des photodétecteurs à PQ In₂S₃ haute performance et grande surface.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

CMC :

Concentration micellaire critique

FFT :

Transformée de Fourier rapide

FWHM :

Largeur à mi-hauteur

HRTEM :

Microscope électronique à transmission à haute résolution

PL :

Photoluminescence

PLE :

Excitation de photoluminescence

PQ :

Points quantiques

SDS :

Dodécylsulfate de sodium

MEB :

Microscope électronique à balayage

MET :

Microscope électronique à transmission

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffractomètre à rayons X