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应力调控之二:二维层状BiOBr纳米片的电子结构以及光电性能的研

已有 5276 次阅读 2017-6-6 14:10 |系统分类:论文交流

半导体材料的光谱的吸收特征,光生电子空穴对的激发、迁移和复合的过程以及它们的电极电位对于其在光电,光化学中的应用至关重要。上述物理过程取决于半导体材料的带隙、费米面的位置及电子有效质量这些基本电子结构特征。应力工程能实现对半导体的电子结构连续可控的调制。尤其是以二维层状材料为代表的纳米材料,应力对其电子结构的影响更加显著。通过理论计算我们发现,具有层状结构的半导体材料铋氧溴(BiOBr)的电子结构对应力非常敏感。如图1所示,能带大小,导带低和价带顶的能带形状,和态密度的组成都能通过应力调控。  


1. (a) BiOBr的晶体结构,(b) 应力下BiOBr的电子结构的变化,(c) 应力下BiOBrDOS的变化


2. (a-c). 应力较小的圆形BiOBr纳米片(标尺a, 1 mm,b, 200 nm, c, 10 nm) 的结构表征, (d-f). 应力较大的方形BiOBr纳米片的结构表征(标尺d, 1 mm,e, 200 nm, f, 10 nm)。

利用水热合成的方法,在CTAB作为Br源和层状结构模版的合成的条件下,可以通过控制纳米片的生长过程来控制应力的大小。通过连续调节应力,我们得到一系列具有不同应力的(001)面暴露的BiOBr纳米片。如图2所示,我们选取了一个小应力的圆形纳米片和一个大应力方形纳米片进行了一系列的结构,应力,性能表征。我们发现圆形BiOBr纳米片在可见光下的光催化活性要明显优于方形BiOBr纳米片。吸收光谱(3d)、可见光下的光响应(3e)分析表明圆形BiOBr纳米片的优越的光催化活性正是源于应力对其电子结构的优化。[1]ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 27592


3. 不同应力的BiOBr纳米片在可见光下降解目标污染物的降解曲线:(a)罗丹明B(b)甲基橙, (c)苯酚; (d)不同应力的BiOBr纳米片的紫外-可见吸收光谱, (e)可见光光电流响应

在此基础上,我们进一步在微观尺度上研究了应力调控BiOBr的结构和电子结构的机制。如图4所示,通过具有高分辨率的STEM表征和GPA应力分析,我们发现对于应力较大的方形纳米片,其应力是均匀分布的,然而对用应力较小的圆形纳米片其应力能通过边缘的晶体的重构有效释放。这一发现也解释了不用应力的纳米片具有相同晶体结构但具有不用形状的原因。更重要的在对于圆形纳米片,应力在纳米片边缘与中心部分的不同分布会建造一个干净和连续的平整界面。界面两边的应力和晶体结构的不一致会创造一个具有侧向异质结性质的赝异质结。通过对两个单片样品的表面电势分析(图5),我们发现具有赝异质结的圆形纳米片的表面电势在样品表面是不均匀的,表明了赝异质结产生能够直接对样品的电子结构进行调制。


4. 侧向赝异质结的结构表征

5. 不用应力的样品的表面电势的表征:(a-c) 方形纳米片的AFM形貌图和表面电势分布,(d-f) 圆形纳米片的AFM形貌图和表面电势分布

通过对单个纳米片的光电流的表征(图6),我们发现在相同的实验条件下,具有这种侧向赝异质结结构的纳米片展现出大约一个数量级的光电流的增强。这种增强主要源于侧向赝异质结的异质结行为使光生载流子的寿命有效提高。这一发现也提供了一种通过应力工程建造功能化的二维侧向异质结结构的新的思路和方法,有望克服传统的构建异质结结构中存在的晶格匹配的问题,并有效降低成本,增加可操作性。[2](2DMater. 2017, 4, 025102)

6.对有侧向赝异质结结构的单个纳米片的光响应表征。


参考文献

[1] H. Feng, Z. Xu, L. Wang, Y. Yu, D. Mitchell, D.Cui, X. Xu, J. Shi, T. Sannomiya, Y. Du, W. Hao, S. Dou. Modulation ofPhotocatalytic Properties by Strain in 2D BiOBr Nanosheets,ACS Appl. Mater.Interfaces, 2015, 7, 27592.

[2] H. Feng, J.Zhuang, A. Slattery, L. Wang, Z. Xu, X. Xu, D. Mitchell, T. Zheng, S. Li, M.Higgins, L. Ren, Z. Sun, S. Dou, Y. Du, W. Hao, Construction of 2D lateral pseudoheterostructures by strain engineering, 2DMater.,2017, 4, 025102.




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