锂钠共掺杂SnS材料的物理与电学性能研究及其在能源存储中的应用

为开发绿色能源技术，研究人员采用水热法合成Li(1 at%)固定与Na(1-3 at%)共掺杂SnS材料，系统研究了其物理、光学及电学性能。结果表明，Li-Na共掺杂显著降低带隙至1.30 eV，并提升载流子浓度至6.57×1018 cm-3，电导率达0.22 S/cm，为光伏和热电器件提供了高性能候选材料。

　　

全球能源短缺与化石燃料的环境问题催生了绿色能源技术的迫切需求。其中，热电(TE)和光伏(PV)器件因能将废热和太阳能转化为电能而备受关注。IV-VI族半导体材料如SnS因其层状结构、低毒性和窄带隙特性（直接带隙1.3 eV，间接带隙1.0 eV），在能源领域展现出巨大潜力。然而，传统合成方法如机械合金化和电化学沉积成本高、工艺复杂，限制了SnS的大规模应用。此外，如何通过掺杂优化其电学性能仍是研究难点。

针对这些问题，MNIT Jaipur和曼尼帕尔大学的研究团队创新性地采用水热法合成了Li(1 at%)固定与Na(1-3 at%)共掺杂SnS纳米材料，系统研究了其结构、光学及电学特性。相关成果发表于《Journal of the Indian Chemical Society》。研究通过X射线衍射(XRD)确认了正交晶系结构（空间群Pnma），场发射扫描电镜(FESEM)观察到纳米花状形貌，紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)显示带隙最低降至1.30 eV。霍尔效应测试证实所有样品均为p型半导体，其中Li-Na(3 at%)共掺杂样品载流子浓度达6.57×10¹⁸ cm^-3，电导率提升至0.22 S/cm。

关键实验技术

1. 水热合成法：以SnCl₂·2H₂O和硫代乙酰胺为前驱体，PVP为形貌控制剂，在200°C以下制备纳米结构。
2. X射线衍射(XRD)：分析晶体结构和相纯度。
3. 场发射扫描电镜(FESEM)与能谱(EDX)：表征形貌和元素分布。
4. 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)与Tauc图：测定带隙变化。
5. 霍尔效应测试：评估载流子浓度和电导率。

研究结果

1. 结构分析：XRD显示所有样品均保持正交晶系，Li-Na掺杂引起晶格畸变，但未改变主相。
2. 形貌特征：FESEM显示纳米花由纳米片自组装而成，掺杂后形貌更显著。
3. 光学性能：带隙随Na掺杂量增加而降低，Li-Na(3 at%)样品带隙最小（1.30 eV）。
4. 电学性能：Li-Na(3 at%)样品载流子浓度和电导率最优，优于未掺杂和其他比例掺杂样品。

结论与意义
该研究首次证实Li-Na共掺杂可协同优化SnS的带隙和电导率。水热法无需酸性介质即可获得高结晶度纳米结构，为低成本规模化生产提供了新思路。性能最佳的Li-Na(3 at%)共掺杂SnS在光伏和热电领域具有明确应用前景，其环境友好特性更符合可持续发展需求。作者Sanju Choudhari等强调，该方法可扩展至其他硫族化合物掺杂研究，为绿色能源材料开发开辟了新途径。