从微观到亚纳米尺度：BiOI纳米片的介电特性新见解及其在光电应用中的突破

本研究针对层状铋基氧卤化物(BiOI)在电子器件中的电荷传输机制不明问题，通过宽带介电谱(BDS)结合Dissado-Hill模型，首次揭示了温度/频率依赖的碘离子迁移主导的介电行为，发现0.44 eV活化能的低频离子传导路径和0.13 eV的高频空穴跃迁机制，为设计高效光电器件和碘电池提供理论依据。

　　

在能源转换与传感技术领域，层状铋基氧卤化物因其独特的二维结构和可调电子特性备受关注。其中碘氧化铋(BiOI)因其较窄带隙(约1.8-2.2 eV)和可见光响应特性，在光催化、光伏器件和气体传感等领域展现出巨大潜力。然而，制约其实际应用的关键瓶颈在于：电荷载流子在纳米尺度下的传输机制尚不明确，特别是温度与频率对碘离子(I^-
)迁移行为的影响缺乏系统研究。传统研究多聚焦于光学性能或理论计算，而忽视介电特性这一决定器件性能的核心参数。

为解决这一科学问题，国内研究团队在《Materials Today Nano》发表创新成果。研究人员采用简易水解法制备出厚度34.8±9.02 nm、尺寸543.4±103.4 nm的BiOI纳米片，通过多尺度表征首次阐明其介电行为受[Bi₂
O₂
]²⁺
层间碘离子动态调控的机制。研究创新性地使用叉指电极结合宽带介电谱技术，在173-273 K温度范围和9.98 Hz-1.15 MHz频率区间获得完整介电谱，并首次应用Dissado-Hill模型解析纳米片间相互作用。

关键技术方法包括：1) 碱调控水解法制备系列BiOI样品；2) 透射电镜(HAADF STEM)和X射线光电子能谱(XPS)表征纳米结构；3) 紫外可见漫反射谱(DRS)测定1.962±0.046 eV直接允许带隙；4) 基于叉指电极的宽带介电谱系统测量介电参数；5) 采用Dissado-Hill函数拟合双弛豫过程。

【结构分析】XRD与TEM证实NaOH添加量对相纯度具有阈值效应，2 g NaOH条件下获得纯相BiOI纳米片，其(001)晶面间距26.79 nm，SAED衍射斑点与标准卡片(COD 9009164)完全匹配。XPS显示Bi^(3-x)+
缺陷态的存在，源于Bi-O键断裂形成的表面缺陷。

【光学特性】通过Kubelka-Munk函数拟合发现直接允许带隙(1.962±0.046 eV)和0.0737±0.068 eV的极低Urbach能量，表明材料具有高度有序的晶体结构。价带顶(2.421±0.050 eV)和导带底(0.459±0.023 eV)位置计算证实其适合光催化应用。

【介电机理】Dissado-Hill模型解析出两个主导弛豫过程：高频过程(活化能0.13±0.01 eV)对应[Bi₂
O₂
]²⁺
层间空穴跳跃与I^-
迁移的耦合效应；低频过程(<100 Hz，活化能0.44±0.02 eV)源于纳米片表面/边缘的碘离子迁移及其在电极界面的积累。相位角接近-90°证实近乎纯电容行为。

【离子传输】电压扰动实验验证低频区异常源自I^-
沿纳米片表面通道的定向迁移。四阶段传导模型揭示：1) >100 kHz时内建电场主导空穴输运；2) 1-100 kHz区间I^-
层间迁移；3) <1 kHz时离子沿边缘扩散；4) 超低频区(<10 Hz)电极极化积累。

该研究首次建立BiOI纳米片结构与介电性能的构效关系，揭示碘离子的多路径传输机制。0.44 eV的界面迁移能垒为设计低功耗离子器件提供关键参数，而0.13 eV的层间活化能说明BiOI比BiOCl更利于离子传导。研究成果对开发新型光辅助锌碘电池、自供电传感器具有重要意义，特别是为理解层状材料中离子-电子耦合效应提供新范式。未来通过调控纳米片厚度和堆垛方式，可进一步优化其介电响应特性。