Jämfört med bulkmaterial, atomärt tunna material som övergångsmetalldikalkogenider (TMD) erbjuder storleks- och avstämningsfördelar jämfört med traditionella material vid utveckling av elektroniska och optiska miniatyrenheter. De 2-dimensionella TMD:erna är av särskilt intresse eftersom de har potentiella tillämpningar vid energiomvandling, elektronik och kvantberäkningar. Egenskaperna hos dessa material kan ställas in av yttre krafter som applicering av dragpåkänning eller elektriska fält, men tills nyligen, ingen hade identifierat ett sätt att i sig själv ställa in dessa material för optimala fotoluminescerande eller optoelektroniska egenskaper.

För att trimma materialet utan att behöva externa krafter, forskare vid Los Alamos och deras externa medarbetare försökte istället kontrollera förhållandet mellan isotoper inom TMD. Denna typ av känslig manipulation har nyligen gjorts enklare med Rutherfords backscattering-spektrometri tack vare förbättringar av Ion Beam Materials Laboratorys tandemaccelerator, som uppgraderades förra året för mer exakt energiinställning, bättre strålstabilitetskontroll och förbättrad tillförlitlighet i övergripande operationer. De nya funktionerna gjorde det möjligt för teamet att ta exakta mätningar av atomförhållandena i sina prover och karakterisera de högkvalitativa materialen som var avgörande för att testa effekten av isotopkoncentration på materialbeteende.

För första gången, detta team kunde odla ett isotopiskt rent och mycket enhetligt TMD-material som bara var sex atomer tjockt. De jämförde detta med en annars identisk film av naturligt riklig TMD, som har flera olika isotoper inom materialet. Tillsammans med att karakterisera den elektroniska bandstrukturen och vibrationsspektra, teamet fann en förvånansvärt stor effekt i ljusemission som det nuvarande teoriläget inte kunde förklara.

Eftersom olika isotoper av ett grundämne har samma antal laddade partiklar (elektroner och protoner), isotopiska variationer i atommassa beror på oladdade partiklar (neutroner) och förväntas därför inte ha någon effekt på elektronisk bandstruktur eller optisk emission. Faktiskt, detta antagande är så vanligt att teoretiker vanligtvis inte tar hänsyn till isotopsammansättningen när de modellerar dessa egenskaper. I detta arbete presenteras i Nanobokstäver , teamet fann att isotopsammansättningen hade en överraskande blåskiftningseffekt på ljusemissionsspektra. För att undersöka detta, de utförde ytterligare studier och föreslog en modell för effekten. De föreslår att effekten av isotoprening på atommassa leder till en minskning av fononenergier och i slutändan en skillnad i elektronisk bandgap-renormaliseringsenergi, orsakar den optiska förskjutningen.

För framtida experiment, gruppen planerar att ytterligare använda IBML-resurser. Förutom högprecisionsanalys och implantationsförmåga på den uppgraderade tandemacceleratorn, IBML är också värd för två lågenergijonimplantatörer som kan kemiskt dopa och/eller introducera "önskade" defekter i det isotopiskt rena provet. De antar att skapa isotopiska defekter i strukturen kommer att ha uttalade effekter på materialets optiska och termiska egenskaper.

Arbetet finansierades av ett National Science Foundation CAREER Award som beviljades Pettes. Precision tunnfilmskarakterisering möjliggjordes av Ion Beam Materials Laboratory, verkade som en del av Materials Science in Radiation and Dynamics Extremes-gruppen inom Materials Science and Technology Division. IBML klassificeras som en DOE-användarresurs genom Center for Integrated Nanotechnologies (CINT), ett DOE-forskningscenter för nanovetenskap som drivs gemensamt av Los Alamos och Sandias nationella laboratorier. Uppgraderingar av tandemacceleratorn finansierades av Principal Associate Directorate for Science, Kapitalinvesteringsfonden för teknik och teknik och fonden CINT-kapacitetsutveckling.

Arbetet stödjer laboratoriets energisäkerhets- och grundläggande vetenskapsuppdragsområden och dess material för framtidens vetenskapliga pelare genom att identifiera de materialegenskaper som förbättrar prestanda vid energiomvandling och möjliggör utveckling av nya enheter.