【光电】超小硫化铅纳米片的制备及其应用于光电化学型探测器

二维硫化铅纳米片作为优异的光学活性材料被广泛应用于光电器件的制备，然而当下制备二维硫化铅的方法主要是自下而上的溶液生长法，得到的纳米片大都在几百纳米甚至几微米尺度，导致材料表面具有较多的缺陷从而限制了该材料的进一步应用。近期，深圳大学张晗教授课题组报道了一种简便的液相剥离法制备超小硫化铅纳米片，如图1所示，该纳米片具有11.2±1.7纳米的横向尺寸和3.7±0.9纳米的厚度。XRD表明液相剥离并没有改变所得材料的晶体结构，而尺寸的减小使得材料表面存在少量的氧化。

图1. 超小硫化铅纳米片的测试表征。

随后作者研究了其瞬态光学性质，并将其用作活性材料制备光电化学型光电探测器的工作电极。如图2所示，所制备的硫化铅纳米片具有明显的光电响应，光电流密度随着光照强度的增加的增大。同时该材料对400纳米的光展现出最明显的响应行为，在0.1 mol/L的氢氧化钾中的光电流密度可达12.89 μA/cm2，响应率为10.97 mA/W。

图2. 硫化铅纳米片的光电响应性能测试。

研究表明，测试条件的变化也能够对材料的光电响应性能产生重要的影响，例如降低外置电压能够削弱硫化铅纳米片的相应能力。此外作者还发现该材料在中性电解质中的性能远低于碱性条件，通过DFT计算发现，材料的带隙随着厚度的增加而减小，外加电压的增加能够进一步减小材料的带隙，同时碱性条件下材料的带隙明显要小于中性条件（图3），这些计算结果与实验现象能够很好地吻合。此外，进一步研究表明随着涂层厚度的增加，器件的光电响应性能可以进一步提高。在浓度提高到3.5 mg/mL时，材料的光电流密度可提高至21.96 μA/cm2，响应率升高到27.81 mA/W。通过长时间稳定性测试发现器件在碱性条件下具有非常好的循环稳定性，为其实际应用奠定了基础。

图3. DFT计算不同条件下硫化铅纳米片的带隙。

该研究性论文近期发表在Small 上，深圳大学高凌锋、陈华龙和北京大学王睿博士为共同第一作者，通讯作者为深圳大学二维材料光电科技联合实验室张晗特聘教授和瑞典乌普萨拉大学Hans Ågren教授，深圳大学为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金、广东省科技计划项目、深圳市科学技术创新基金以及河南省海外杰出人才培养中心资助等项目的支持。

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Ultra-Small 2D PbS Nanoplatelets: Liquid-Phase Exfoliation and Emerging Applications for Photo-Electrochemical Photodetectors Lingfeng Gao, Hualong Chen, Rui Wang, Songrui Wei, Artem V. Kuklin, Shan Mei, Feng Zhang, Ye Zhang, Xiantao Jiang, Zhengqian Luo, Shixiang Xu, Han Zhang, Hans Ågren Small, 2021, 17, 2005913, DOI: 10.1002/smll.202005913