氯掺杂一维杂化半导体[C5H6ClN2]2BiCl5的结构设计与光电性能调控研究

本研究针对杂化半导体材料的结构稳定性与光电性能优化问题，通过水热法成功合成新型一维杂化化合物[C5H6ClN2]2BiCl5。研究人员采用X射线衍射（XRD）和密度泛函理论（DFT）揭示了其正交晶系P212121空间群结构特征，通过Hirshfeld表面分析阐明分子间作用机制，UV-Vis漫反射光谱证实其2.2 eV半导体带隙。该研究为开发环境友好型光电材料提供了新思路。

　　

在材料科学领域，如何将有机组分的可设计性与无机组分的稳定性相结合，一直是开发新型功能材料的核心挑战。传统半导体材料往往面临毒性高、制备复杂等问题，而铋基杂化材料因其环境友好特性和独特的电子结构备受关注。特别是具有一维结构的材料，因其量子限域效应和各向异性传输特性，在光电转换、传感等领域展现出巨大潜力。然而，如何通过分子设计实现结构稳定性和光电性能的协同调控，仍是当前研究的瓶颈问题。

斯法克斯大学理学院物理系的研究人员通过精准分子工程，设计出基于3-氯-6-甲基哒嗪阳离子的新型铋基杂化半导体[C₅H₆ClN₂]₂BiCl₅。这项发表在《Journal of Molecular Structure》的研究，首次揭示了该化合物在正交晶系P2₁2₁2₁空间群中的一维链状结构特征，其2.2 eV的适宜带隙和良好的热稳定性，为开发新一代环保型光电器件提供了材料基础。

研究团队采用水热合成法获得高纯度晶体，通过单晶X射线衍射解析结构，结合粉末XRD验证相纯度。利用UV-Vis漫反射光谱测定光学带隙，采用B3LYP/LANL2DZ级别的DFT计算优化分子构型并预测振动频率。Hirshfeld表面分析技术定量表征了分子间相互作用，热重分析评估了材料的热稳定性。

【化学制备】部分显示，通过精确控制3-氯-6-甲基哒嗪与三氯化铉2:1的摩尔比，在10 mL水溶液中采用水热法成功制备目标化合物。该方法通过调控温度压力参数，有效避免了副产物生成。

【结构描述】部分指出，晶体结构中Bi³⁺与五个氯原子形成[BiCl₅]^2-八面体单元，通过边共享构成一维无限链。有机阳离子中的氯原子与无机链形成C-H?Cl氢键网络，这种独特的相互作用模式通过Hirshfeld分析得到证实，其中H?Cl接触贡献率达32.5%。PXRD图谱显示实验样品与模拟图谱高度吻合，证实材料相纯度。

【结论】部分强调，该研究不仅填补了3-氯-6-甲基哒嗪在杂化材料中应用的研究空白，更通过结构-性能关系解析，证明[C₅H₆ClN₂]₂BiCl₅兼具结构稳定性和半导体特性。DFT计算与实验结果的相互验证，为后续材料设计提供了可靠的理论模型。

这项工作的创新性体现在三个方面：首次将3-氯-6-甲基哒嗪阳离子引入铋基杂化体系；建立了分子间相互作用与材料稳定性的定量关系；开发出带隙可调的一维半导体材料。其成果不仅对理解有机-无机杂化材料的结构形成机制具有理论价值，更为设计环境友好型光电转换材料开辟了新途径。特别是材料中铋元素的无毒特性，使其在生物相容性器件领域展现出独特优势，符合当前绿色材料的发展趋势。