Préparation de nanocomposites sphériques poreux à base de WO₂I₂/Poly(o-amino thiophénol) et leurs applications dans les photodétecteurs

Introduction

Ces dernières années, les photodétecteurs ont attiré une attention particulière en raison de leurs nombreuses applications dans des domaines tels que l’éclairage et la technologie spatiale. Cependant, les photodétecteurs traditionnels à base d’oxydes métalliques souffrent souvent de problèmes tels qu’une faible sensibilité et une réponse spectrale limitée. Par exemple, les études sur des matériaux comme ZnO/Cu₂O et Se/TiO₂ montrent que leur réponse photoélectrique se concentre principalement dans la région UV, avec une sensibilité ® généralement inférieure à 0,001 mA/W. De plus, bien que les polymères comme le P3HT et le PBbTPD:tri-PC61BM présentent une bonne conductivité et un faible coût, leur sensibilité reste également relativement basse (environ 0,01 mA/W). Par conséquent, le développement d’un matériau innovant combinant haute sensibilité, large gamme spectrale et faible coût est devenu un sujet de recherche crucial.

Dans ce contexte, Fatemah H. Alkallas et al. proposent un photodétecteur basé sur des nanocomposites sphériques poreux à base de WO₂I₂/poly(o-amino thiophénol) (WO₂I₂/PoATP). Cette étude vise à combiner les avantages des matériaux inorganiques (WO₂I₂) et organiques (PoATP) pour résoudre les limitations actuelles des photodétecteurs en termes de sensibilité, de plage spectrale et de coût. En outre, les auteurs espèrent améliorer encore davantage les performances photoélectriques grâce à une conception optimisée de la structure du matériau.

Origine de l’article

Cet article a été rédigé par Fatemah H. Alkallas, Amira Ben Gouider Trabelsi, Tahani A. Alrebdi et Mohamed Rabia. Les premiers auteurs et le correspondant proviennent respectivement du département de physique de l’Université Princess Nourah Bint Abdulrahman en Arabie Saoudite et du département de chimie de l’Université de Beni-Suef en Égypte. L’article a été accepté le 13 décembre 2024 et publié dans le journal Optical and Quantum Electronics, sous le numéro d’article 57:150.

Protocole expérimental et méthodes

Matériaux et synthèse

Les matériaux utilisés dans cette étude comprennent de l’o-amino thiophénol (99,9 %), du tungstate de sodium (Na₂WO₄, 99,8 %), de l’acide acétique (CH₃COOH, 99,9 %), de l’iode (I₂, 99,9 %) et de l’iodure de potassium (KI, 99,8 %). La fabrication du film mince nanocomposite sphérique poreux WO₂I₂/PoATP se fait en deux étapes : premièrement, l’o-amino thiophénol est dissous dans de l’acide acétique, puis oxydé avec une solution d’iode pour former I-PoATP ; ensuite, I-PoATP réagit avec Na₂WO₄ via un mécanisme de double déplacement pour former le nanocomposite WO₂I₂/PoATP. Le film final est déposé sur un substrat en verre pour les caractérisations ultérieures.

Méthodes de caractérisation et tests

Caractérisation des matériaux

1. Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) : Analyse de la composition chimique et des changements dans les groupes fonctionnels.
2. Diffraction des rayons X (XRD) : Détermination de la structure cristalline et de la taille des grains.
3. Spectroscopie de photoélectrons X (XPS) : Étude de la composition élémentaire et des états d’oxydation.
4. Microscopie électronique à balayage (SEM) et microscopie électronique en transmission (TEM) : Observation des caractéristiques morphologiques et de la distribution des pores.

Tests de performance photoélectrique

Les tests de performance photoélectrique ont été réalisés à l’aide d’une station électrochimique CHI608E. Des contacts en argent ont été appliqués sur les deux côtés de l’échantillon avant de le connecter à la station. Une lampe halogène métallique sous vide a fourni une lumière blanche à spectre complet. La densité de courant photoélectrique (Jph) et la densité de courant d’obscurité (Jo) ont été mesurées, permettant de calculer la sensibilité ® et le pouvoir de détection (D).

Algorithmes d’analyse des données

Les formules utilisées pour calculer R et D sont les suivantes : - ( R = \frac{J_{ph} - J_d}{P} ) - ( D = \frac{R \sqrt{A}}{2eJ_o} )

Où ( J_{ph} ) et ( J_o ) représentent respectivement les densités de courant sous illumination et dans l’obscurité, ( P ) est l’intensité lumineuse, ( A ) est la surface du dispositif, et ( e ) est la charge de l’électron.

Résultats principaux et discussion

Propriétés chimiques et structurales

L’analyse FTIR montre un décalage vers le rouge des bandes d’absorption du nanocomposite WO₂I₂/PoATP par rapport au PoATP pur, indiquant une forte interaction entre WO₂I₂ inorganique et PoATP organique. Les tests XRD révèlent dix pics caractéristiques de WO₂I₂, avec une taille de grain de 121 nm. Les données XPS confirment la présence de W et I ainsi que leurs états d’oxydation.

Morphologie et propriétés optiques

Les images SEM et TEM montrent que le nanocomposite WO₂I₂/PoATP présente une structure sphérique poreuse avec des pores d’environ 5 nm de diamètre. Les tests optiques montrent que le matériau possède une capacité d’absorption spectrale étendue (jusqu’à l’infrarouge proche) et une bande interdite de seulement 2,0 eV, lui permettant de capturer et d’utiliser efficacement les photons.

Performance photoélectrique

Sous illumination blanche, la densité de courant photoélectrique du film mince nanocomposite WO₂I₂/PoATP est de 0,32 mA/cm² (( J_{ph} = 0,8 \, \text{mA/cm}^2 ), ( J_o = 0,48 \, \text{mA/cm}^2 )). Lorsque la longueur d’onde diminue de 540 nm à 340 nm, la sensibilité ® augmente de 7,2 mA/W à 8,0 mA/W, et le pouvoir de détection (D) passe de ( 0,164 \times 10^{10} \, \text{Jones} ) à ( 0,181 \times 10^{10} \, \text{Jones} ). Même à 730 nm, R et D restent respectivement à 6,4 mA/W et ( 0,145 \times 10^{10} \, \text{Jones} ).

Stabilité et reproductibilité

Des tests répétés montrent une stabilité exceptionnelle de la densité de courant photoélectrique, avec un écart-type minimal. De plus, le temps de réponse du dispositif est d’environ 1 seconde, avec un temps de décroissance de 3,5 secondes, démontrant des performances dynamiques excellentes.

Conclusion et signification

Valeur scientifique

Cette étude a réussi à fabriquer un nouveau nanocomposite sphérique poreux à base de WO₂I₂/PoATP, validant son potentiel en tant que photodétecteur performant. Ce matériau présente non seulement une absorption spectrale étendue et une faible bande interdite, mais aussi une excellente sensibilité et un haut pouvoir de détection.

Valeur applicative

Grâce à sa haute sensibilité, sa large gamme spectrale, son faible coût et sa facilité de production à grande échelle, ce matériau présente un grand potentiel industriel, notamment dans les domaines de la détection ultraviolette, visible et infrarouge.

Points forts de la recherche

1. Innovation matérielle : Première combinaison de WO₂I₂ et PoATP, réalisant un effet synergique entre matériaux inorganiques et organiques.
2. Progrès en performance : Sensibilité et pouvoir de détection significativement supérieurs aux matériaux existants, résolvant les limitations des photodétecteurs traditionnels.
3. Procédé simple : Méthode de fabrication facile et peu coûteuse, adaptée à la production industrielle.

Résumé

Cette recherche offre non seulement une nouvelle option de matériau pour les photodétecteurs, mais met également en évidence le potentiel des nanocomposites inorganiques-organiques dans les dispositifs optoélectroniques. À l’avenir, ce matériau pourrait jouer un rôle important dans des domaines tels que le suivi environnemental, les technologies de communication et la conversion d’énergie.