Forskning ledd av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har visat att små förändringar i isotopinnehållet i tunna halvledarmaterial kan påverka deras optiska och elektroniska egenskaper, vilket möjligen öppnar vägen för nya och avancerade konstruktioner med halvledarna.

Verket publiceras i tidskriften Science Advances .

Delvis på grund av halvledare blir elektroniska enheter och system mer avancerade och sofistikerade för varje dag. Det är därför som forskare i årtionden har studerat sätt att förbättra halvledarföreningar för att påverka hur de bär elektrisk ström. Ett tillvägagångssätt är att använda isotoper för att förändra de fysiska, kemiska och tekniska egenskaperna hos material.

Isotoper är medlemmar av en familj av ett grundämne som alla har samma antal protoner men olika antal neutroner och därmed olika massor. Isotopteknik har traditionellt fokuserat på att förbättra så kallade bulkmaterial som har enhetliga egenskaper i tre dimensioner, eller 3D.

Men ny forskning ledd av ORNL har flyttat fram gränsen för isotopteknik där strömmen är begränsad i två dimensioner, eller 2D, inuti platta kristaller och där ett lager bara är några få atomer tjockt. 2D-materialen är lovande eftersom deras ultratunna natur kan möjliggöra exakt kontroll över deras elektroniska egenskaper.

"Vi observerade en överraskande isotopeffekt i de optoelektroniska egenskaperna hos ett enda lager av molybdendisulfid när vi ersatte en tyngre isotop av molybden i kristallen, en effekt som öppnar möjligheter att konstruera 2D optoelektroniska enheter för mikroelektronik, solceller, fotodetektorer och till och med nästa -generationens datorteknik", säger ORNL-forskaren Kai Xiao.

Yiling Yu, en medlem av Xiaos forskargrupp, odlade isotopiskt rena 2D-kristaller av atomärt tunn molybdendisulfid med hjälp av molybdenatomer med olika massor. Yu märkte små förändringar i färgen på ljus som sänds ut av kristallerna under fotoexcitation, eller stimulering av ljus.

"Oväntat förflyttades ljuset från molybdendisulfiden med de tyngre molybdenatomerna längre till den röda änden av spektrumet, vilket är motsatt den förändring man kan förvänta sig för bulkmaterial," sa Xiao. Det röda skiftet indikerar en förändring i materialets elektroniska struktur eller optiska egenskaper.

Xiao och teamet, som arbetade med teoretiker Volodymyr Turkowski och Talat Rahman vid University of Central Florida, visste att fononerna, eller kristallvibrationerna, måste sprida excitonerna, eller optiska excitationerna, på oväntade sätt i de begränsade dimensionerna av dessa ultratunna kristaller. .

De upptäckte hur denna spridning flyttar det optiska bandgapet till den röda änden av ljusspektrumet för tyngre isotoper. "Optiskt bandgap" avser den minsta mängd energi som behövs för att få ett material att absorbera eller avge ljus.

Genom att justera bandgapet kan forskare få halvledare att absorbera eller avge olika färger av ljus, och en sådan inställning är avgörande för att designa nya enheter.

ORNL:s Alex Puretzky beskrev hur olika kristaller som odlas på ett substrat kan visa små förändringar i emitterad färg orsakad av regional spänning i substratet. För att bevisa den anomala isotopeffekten och mäta dess storlek för att jämföra med teoretiska förutsägelser, odlade Yu molybdendisulfidkristaller med två molybdenisotoper i en kristall.

"Vårt arbete var utan motstycke genom att vi syntetiserade ett 2D-material med två isotoper av samma grundämne men med olika massor, och vi sammanfogade isotoperna i sidled på ett kontrollerat och gradvis sätt i en enskiktskristall," sa Xiao.

"Detta gjorde det möjligt för oss att observera den inneboende anomala isotopeffekten på de optiska egenskaperna i 2D-materialet utan störningar orsakade av ett inhomogent prov."

Studien visade att även en liten förändring av isotopmassorna i de atomärt tunna 2D-halvledarmaterialen kan påverka optiska och elektroniska egenskaper – ett fynd som ger en viktig grund för fortsatt forskning.

"Tidigare var tron ​​att för att tillverka enheter som solceller och fotodetektorer, var vi tvungna att kombinera två olika halvledarmaterial för att skapa korsningar för att fånga excitoner och separera deras laddningar. Men faktiskt kan vi använda samma material och bara ändra dess isotoper till skapa isotopiska korsningar för att fånga excitonerna," sa Xiao.

"Denna forskning säger oss också att vi genom isotopteknik kan ställa in de optiska och elektroniska egenskaperna för att designa nya applikationer."

För framtida experiment planerar Xiao och teamet att samarbeta med experterna vid High Flux Isotope Reactor och Isotope Science and Engineering Directorate vid ORNL. Dessa anläggningar kan tillhandahålla olika mycket berikade isotopprekursorer för att odla olika isotopiskt rena 2D-material.

Teamet kan sedan ytterligare undersöka isotopeffekten på spinnegenskaper för deras tillämpning inom spinnelektronik och kvantemission.

Mer information: Yiling Yu et al, Anomalous isotope effect on the optical bandgap in a monolayer transition metal dikalcogenide halfconductor, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj0758

Journalinformation: Vetenskapens framsteg

Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory