På 2D-skalaen, isotopsammensætning har uforudsete effekter på lysemission

Sammenlignet med bulkmaterialer, atomisk tynde materialer som overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er) tilbyder størrelse og tunability fordele i forhold til traditionelle materialer i udviklingen af ​​miniature elektroniske og optiske enheder. De 2-dimensionelle TMD'er er af særlig interesse, fordi de har potentielle anvendelser i energikonvertering, elektronik og kvanteberegning. Egenskaberne af disse materialer kan indstilles af eksterne kræfter som påføring af trækspænding eller elektriske felter, men indtil for nylig, ingen havde identificeret et middel til iboende at tune disse materialer til optimale fotoluminescerende eller optoelektroniske egenskaber.

For at tune materialet uden brug af eksterne kræfter, forskere ved Los Alamos og deres eksterne samarbejdspartnere forsøgte i stedet at kontrollere forholdet mellem isotoper inden for TMD'er. Denne form for delikat manipulation er for nyligt gjort lettere ved at bruge Rutherford tilbagespredningsspektrometri takket være forbedringer af Ion Beam Materials Laboratorys tandemaccelerator, som blev opgraderet sidste år til mere præcis energijustering, bedre strålestabilitetskontrol og forbedret pålidelighed i overordnede operationer. De nye muligheder gjorde det muligt for holdet at tage præcise målinger af atomforholdene i deres prøver og karakterisere de højkvalitetsmaterialer, der var afgørende for at teste effekten af ​​isotopkoncentration på materialeadfærd.

For første gang, dette hold var i stand til at dyrke et isotopisk rent og meget ensartet TMD-materiale kun seks atomer tykt. De sammenlignede dette med en ellers identisk film af naturligt rigelige TMD, som har flere forskellige isotoper i materialet. Sammen med karakterisering af den elektroniske båndstruktur og vibrationsspektre, holdet fandt en overraskende stor effekt i lysemission, som den nuværende teori ikke kunne forklare.

Fordi forskellige isotoper af et grundstof har det samme antal ladede partikler (elektroner og protoner), isotopiske variationer i atommasse skyldes uladede partikler (neutroner) og forventes derfor ikke at have en effekt på elektronisk båndstruktur eller optisk emission. Faktisk, denne antagelse er så almindelig, at teoretikere normalt ikke overvejer isotopsammensætning, når de modellerer disse egenskaber. I dette arbejde præsenteret i Nano bogstaver , holdet fandt ud af, at isotopsammensætningen havde en overraskende blue-shift-effekt på lysemissionsspektrene. For at undersøge dette, de udførte yderligere undersøgelser og foreslog en model for effekten. De foreslår, at effekten af ​​isotoprensning på atommasse fører til et fald i fononenergier og i sidste ende en forskel i elektronisk båndgab-renormaliseringsenergi, forårsager det optiske skift.

Til fremtidige eksperimenter, gruppen planlægger at bruge IBML ressourcer yderligere. Udover højpræcisionsanalyse og implantationskapacitet på den opgraderede tandemaccelerator, IBML er også vært for to lavenergi-ionimplantatører, der kemisk kan dope og/eller introducere "ønskede" defekter i den isotopisk rene prøve. De antager, at skabelse af isotopiske defekter i strukturen vil have udtalte effekter på materialets optiske og termiske egenskaber.

Arbejdet blev finansieret af en National Science Foundation CAREER Award tildelt Pettes. Præcisions-tyndfilmkarakterisering blev aktiveret af Ion Beam Materials Laboratory, drevet som en del af Materials Science in Radiation and Dynamics Extremes-gruppen i Materials Science and Technology Division. IBML er klassificeret som en DOE-brugerressource gennem Center for Integrated Nanotechnologies (CINT), et DOE nanoscience forskningscenter, der drives i fællesskab af Los Alamos og Sandia nationale laboratorier. Opgraderinger til tandemacceleratoren blev finansieret af Principal Associate Directorate for Science, Teknologi- og ingeniørkapitalinvesteringsfonden og CINT-kapacitetsudviklingsfonden.

Arbejdet understøtter laboratoriets energisikkerheds- og fundamentalvidenskabelige missionsområder og dets materiale til fremtidens videnskabelige søjle ved at identificere de materialeegenskaber, der forbedrer ydeevnen i energiomdannelse og giver mulighed for udvikling af nye enheder.