Adv. Funct. Mater：基于液相剥离的少层InSe纳米片高性能光电化学光探测器

cc 6年前 (2018-01-14) 7428浏览

【引言】

硒化铟（InSe），作为一个典型的III–VI族层状材料因其独特的层状结构特点和宽范围的可调带隙特点受到研究者的广泛关注。在室温下，块体InSe的带隙宽度为1.26 eV，单层InSe的带隙宽度为2.11 eV，其光响应范围从可见光延续到红外光区。同时，InSe的有效电子质量为0.14 me，低于MoS2的0.45 me以及Si的0.19 me；在室温和液氦温度下，其迁移率分别高达103和104cm2V-1s-1。另外，InSe也展现出高的光响应度和较快的光响应时间，被认为是一种非常理想的光探测器材料。近年来，虽然在InSe领域科研人员取得了重大的突破，但是如何高效、低成本得获得二维InSe纳米片，仍然存在挑战。与此同时，大多数InSe光电探测器都是薄膜晶体管进行构筑，这些光探测器需要额外的电源，一定程度上制约了其应用领域。

【成果简介】

近日，来自深圳大学张晗教授和湘潭大学的祁祥副教授等人在Advanced Functional Materials上发表了题为“High-Performance Photo-Electrochemical Photodetector Based on Liquid-Exfoliated Few-Layered InSeNanosheets with Enhanced Stability”的论文，报道了通过温和的液相剥离方法得到具有直接带隙的少层InSe纳米片，并将其用于构筑一种光电化学（PEC）型的光探测器。该探测器在KOH溶液中展现出了良好的电流密度、光响应以及循环稳定性。这种PEC型InSe光探测器的探测能力可以通过改变KOH浓度和施加的偏压来进行调整，表明其可以作为一种潜在光电探测器候选对象。此外，对InSe纳米片的光电化学性能的扩展优化将进一步应用在其他设备上，如染料敏化太阳能电池、水分解系统和太阳能跟踪设备等方面。

【图文导读】

图1.InSe纳米片形貌结构表征

a) InSe纳米片XRD图；

b) InSe块体和液相剥离后的InSe纳米片的拉曼图谱；

c) InSe纳米片AFM图；

d) InSe纳米片TEM图；

e,f) (d)图选中区域相应的EDX元素分析图谱；

g) InSe纳米片的HRTEM图，插图为其SAED图。

图2.InSe纳米片光电响应性能测试

a)0.2 M KOH电解液中，0-1 V偏压下InSe纳米片的光电流密度；插图为其LSV测试曲线；

b) 在2 M KOH电解液中，0-1 V偏压下PEC型InSe光电探测器的响应时间；

c) 在40, 60, 80, 100, 120 mW cm−2光功率密度下InSe光电探测器的归一化光电流密度；

d)0.2 M KOH电解液中，在各种功率强度下InSe纳米片的光电流密度拟合曲线(圆)和光响应率(三角形)。

图 3. 稳定性测试

a)在0.2 M KOH电解液中InSe纳米片光电探测器的循环稳定性；

b)在1.0 V偏压下InSe纳米片光电探测器的长时间光电流开关测试；

c)在0.2 M KOH电解液中，1.0 V偏压下InSe探测器长时间稳定性测试。

图4. 光电流密度测试

a) 光电流密度图关于偏压和KOH的浓度变化的函数；

b) 不同偏压(0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 V)下，光电流密度随电解质浓度(0.05, 0.1, 0.2 M KOH)的变化曲线；

c)在Na2SO4电解液(0.5 M)和KOH电解液(0.2, 0.1, 0.05 M)中的光电流测试；

d) InSe纳米片光电探测器的示意图。

【总结】

在太阳光照射下，基于InSe构筑的PEC型光探测器展现了优良的光电流密度和响应率。进一步的实验结果表明，InSe光电探测器在0.2M的KOH溶液的情况下显示了增强的光响应性能和长期稳定性。同时研究人员描述了光响应率与入射光强度和电解液浓度之间的关系。该工作提供了一种新型的光探测器原型，同时也为InSe及其光电子器件的开发和实际应用提供了一定的实验依据。

文献链接：High-Performance Photo-Electrochemical Photodetector Based on Liquid-Exfoliated Few-Layered InSe Nanosheets with Enhanced Stability(Adv. Funct. Mater. 2017., DOI: 10.1002/adfm.201705237）

张晗教授团队简介：

http://www.2dmaterials-photonics.com/

张晗教授近期相关工作：

  1. Novel concept of the smart NIR-light-controlled drug release of black phosphorus nanostructure for cancer therapy. Proc Natl Acad Sci U S A.2018.
  2. Biodegradable black phosphorus-based nanospheres for in vivo photothermal cancer therapy. Nature communications,2016. (Citation: 40)
  3. Black Phosphorus Nanosheets as a Robust Delivery Platform for Cancer Theranostics. Advanced Materials,2017. (Front Cover)
  4. Facile Synthesis of Black Phosphorus: an Efficient Electrocatalyst for the Oxygen Evolving Reaction.Angew Chem Int Edit,2016.
  5. Antimonene Quantum Dots: Synthesis and Application as Near-Infrared Photothermal Agents for Effective Cancer Therapy.Angew Chem Int Ed Engl,2017. (Front Cover)
  6. Few-Layer Black Phosphorus Nanosheets as Electrocatalysts for Highly Efficient Oxygen Evolution Reaction.Advanced Energy Materials,2017.
  7. Environmentally Robust Black Phosphorus Nanosheets in Solution: Application for Self-Powered Photodetector.Adv Funct Mater,2017. (Inside Cover)
  8. Ultrasmall Black Phosphorus Quantum Dots: Synthesis and Use as Photothermal Agents.Angew Chem Int Edit,2015. (Front Cover. Citation: 118)
  9. Broadband nonlinear optical response in multi-layer black phosphorus: an emerging infrared and mid-infrared optical material. Optics Express,2015. (Hot paper. Citation: 205)
  10. Mechanically exfoliated black phosphorus as a new saturable absorber for both Q-switching and Mode-locking laser operation. Optics Express,2015. (Hot paper. Citation: 185)
  11. Solvothermal Synthesis and Ultrafast Photonics of Black Phosphorus Quantum Dots.Advanced Optical Materials,2016. (Front Cover)
  12. From Black Phosphorus to Phosphorene: Basic Solvent Exfoliation, Evolution of Raman Scattering, and Applications to Ultrafast Photonics.Advanced Functional Materials,2015. (Citation: 110)
  13. 13.TiL4-Coordinated Black Phosphorus Quantum Dots as an Efficient Contrast Agent for In Vivo Photoacoustic Imaging of Cancer. Small,2017. (Front Cover)
  14. Few-Layer Phosphorene Decorated-Microfiber for All-Optical-Thresholding and Optical Modulation.Advanced Optical Materials,2017.

本文由材料人欧洲杯线上买球 前线Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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