室温合成高质量In₂S₃量子点用于超灵敏紫外光电探测器

摘要

本研究介绍一种简单的室温合成In₂S₃量子点（QDs）方法，获得优异晶体质量和窄尺寸分布。以硫化钠、氯化铟、十二烷基硫酸钠为表面活性剂，制得平均直径2 nm单分散QDs。由此制备的光电探测器在室温365 nm紫外照射下展现~10¹³ Jones探测率，凸显其在高性能、低成本光电器件中的应用前景。

背景

二维和零维纳米材料凭借卓越电学和光学性质革新了光电子学。量子点（QDs）凭借可调带隙和高光致发光量子产率，在光伏、光电探测、生物成像、光催化等领域极具吸引力。在III-VI族半导体中，硫化铟（In₂S₃）QDs具有直接带隙和良好热力学/力学稳定性，但水热、模板、微波等常规合成路线常受限于高温、长反应时间或复杂后处理。

为克服这些挑战，我们报道一种温和的表面活性剂辅助合成，在常压室温下制备稳定、高质量In₂S₃ QDs。所得QDs经广泛表征，通过器件制备和性能指标演示其在紫外光电探测中的潜力。

实验方法

材料

硫化钠（Na₂S·9H₂O）、氯化铟（InCl₃·4H₂O）、十二烷基硫酸钠、300 Da再生纤维素透析膜购自商业供应商，未经进一步纯化直接使用。

In₂S₃ QDs制备

合成遵循两步混合协议（图1a）。分别配制0.1 M Na₂S和0.1 M InCl₃水溶液，各加入0.008 M SDS于1500 rpm搅拌20分钟生成单分散络合物。将Na₂S-SDS混合物加入InCl₃-SDS溶液，10分钟内快速反应生成黄色悬浮液。离心洗涤（3000 rpm，5分钟）和透析纯化，最终QDs收集于透析袋内。

表征

高分辨TEM（JEM-2100，200 kV）检查颗粒形貌。SEM（FEI Quanta 200）和AFM（SPA-400）提供表面和形貌数据。XRD（Rigaku D/Max-RA）和拉曼（Renishaw inVia）评估结晶度。UV-Vis、UV-Vis-NIR（UV-3600）、荧光光谱（Hitachi F-7000）量化光学行为。XPS（PHI Versa Probe II）验证表面化学。电学性能用Keithley 2400源表测J-V曲线，Keysight B1500A分析仪测C-V。

结果与讨论

结构与形貌研究

图1b-e显示In₂S₃ QDs呈球状、均匀分布，尺寸分布窄呈高斯趋势（1-3 nm，FWHM=1.12 nm；平均2.02 nm）。HRTEM显示晶格间距0.271、0.311、0.373 nm，对应立方相400、222、220晶面。FFT图案确认明晰晶体结构。SEM显示QDs聚集成紧凑簇降低表面能。XRD峰匹配400、222、220晶面，Scherrer方程计算尺寸与TEM一致。拉曼峰304和930 cm⁻¹符合文献。AFM高度测量1.53-2.35 nm佐证TEM尺寸，平均高度1.94 nm。

Brus方程计算QDs量子限域带隙3.50 eV，超本征2.3 eV。UV-Vis吸收显示225和283 nm双峰（图2a）。从(αhv)² vs hv图提取带隙3.54 eV，与理论估算高度一致。

250 nm激发下~390 nm光致发光峰确认强紫外荧光，PLE峰500-540 nm展示量子限域拓宽吸收范围。XPS确认In-S和S-C键，少量Cl、Na、O、C源自试剂和表面活性剂。

基于这些QDs制备的光电探测器（图3a）在1 V下展现4.13 A W⁻¹响应度，365 nm紫外下探测率1×10¹³ Jones，超越许多二维纳米材料器件。I-V特性显示整流行为随反向偏压和入射光功率密度变化。

温度依赖电阻测量（图4b）显示随温度轻微下降，ln ρ vs 1/T分析得热活化能0.011 eV和指前因子4.16×10⁸ Ω cm。电容-频率研究（图4d）指示界面态在高频阻尼交流信号。C-V剖析给出内建势0.6 V、载流子浓度4.3×10¹⁹ cm⁻³，耗尽层宽度12.34 nm（图4f）。这些参数媲美或超越石墨烯QD器件，解释了优异光电探测性能。

结论

我们建立了一种快速、低温路线制备结晶In₂S₃ QDs，平均尺寸2 nm、窄尺寸分布。这些QDs作为高效独立光活性层用于紫外光电探测器，在室温365 nm照射下无放大实现创纪录2×10¹³ Jones探测率。该方法简便、低成本、可规模化，为高性能、大面积In₂S₃ QD光电探测器提供引人注目的平台。

缩写

AFM

原子力显微镜

CMC

临界胶束浓度

FFT

快速傅里叶变换

FWHM

半高全宽

HRTEM

高分辨透射电子显微镜

PL

光致发光

PLE

光致发光激发

QDs

量子点

SDS

十二烷基硫酸钠

SEM

扫描电子显微镜

TEM

透射电子显微镜

XPS

X射线光电子能谱

XRD

X射线衍射仪