Tweaking isotoper kaster lys over lovende tilgang til ingeniør halvledere

Forskning ledet af forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har vist, at små ændringer i isotopindholdet i tynde halvledermaterialer kan påvirke deres optiske og elektroniske egenskaber, hvilket muligvis åbner vejen for nye og avancerede designs med halvlederne.

Værket er publiceret i tidsskriftet Science Advances .

Dels på grund af halvledere bliver elektroniske enheder og systemer mere avancerede og sofistikerede hver dag. Det er derfor, forskere i årtier har undersøgt måder at forbedre halvlederforbindelser på for at påvirke, hvordan de bærer elektrisk strøm. En tilgang er at bruge isotoper til at ændre materialers fysiske, kemiske og teknologiske egenskaber.

Isotoper er medlemmer af en familie af et grundstof, der alle har det samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner og dermed forskellige masser. Isotopteknik har traditionelt fokuseret på at forbedre såkaldte bulkmaterialer, der har ensartede egenskaber i tre dimensioner eller 3D.

Men ny forskning ledet af ORNL har fremmet grænsen for isotopteknik, hvor strømmen er begrænset i to dimensioner, eller 2D, inde i flade krystaller, og hvor et lag kun er et par atomer tykt. 2D-materialerne er lovende, fordi deres ultratynde natur kunne give mulighed for præcis kontrol over deres elektroniske egenskaber.

"Vi observerede en overraskende isotopeffekt i de optoelektroniske egenskaber af et enkelt lag molybdændisulfid, da vi erstattede en tungere isotop af molybdæn i krystallen, en effekt, der åbner muligheder for at konstruere 2D optoelektroniske enheder til mikroelektronik, solceller, fotodetektorer og endda næste. -generations computing-teknologier," sagde ORNL-forsker Kai Xiao.

Yiling Yu, et medlem af Xiaos forskerhold, dyrkede isotopisk rene 2D-krystaller af atomisk tyndt molybdændisulfid ved hjælp af molybdænatomer af forskellig masse. Yu bemærkede små skift i farven på lys udsendt af krystallerne under fotoexcitation eller stimulering af lys.

"Uventet blev lyset fra molybdændisulfidet med de tungere molybdænatomer flyttet længere til den røde ende af spektret, hvilket er modsat det skift, man ville forvente for bulkmaterialer," sagde Xiao. Det røde skift indikerer en ændring i materialets elektroniske struktur eller optiske egenskaber.

Xiao og teamet, der arbejdede med teoretikere Volodymyr Turkowski og Talat Rahman ved University of Central Florida, vidste, at fononerne eller krystalvibrationerne måtte sprede excitonerne eller optiske excitationer på uventede måder i de begrænsede dimensioner af disse ultratynde krystaller .

De opdagede, hvordan denne spredning flytter det optiske båndgab til den røde ende af lysspektret for tungere isotoper. "Optisk båndgab" refererer til den mindste mængde energi, der er nødvendig for at få et materiale til at absorbere eller udsende lys.

Ved at justere båndgabet kan forskere få halvledere til at absorbere eller udsende forskellige farver af lys, og en sådan justering er afgørende for at designe nye enheder.

ORNL's Alex Puretzky beskrev, hvordan forskellige krystaller dyrket på et substrat kan vise små skift i udsendt farve forårsaget af regional belastning i substratet. For at bevise den unormale isotopeffekt og måle dens størrelse for at sammenligne med teoretiske forudsigelser, dyrkede Yu molybdændisulfidkrystaller med to molybdænisotoper i én krystal.

"Vores arbejde var uden fortilfælde, idet vi syntetiserede et 2D-materiale med to isotoper af det samme grundstof, men med forskellige masser, og vi forenede isotoperne lateralt på en kontrolleret og gradvis måde i en enkelt monolags krystal," sagde Xiao.

"Dette gjorde det muligt for os at observere den iboende anomale isotopeffekt på de optiske egenskaber i 2D-materialet uden interferens forårsaget af en inhomogen prøve."

Undersøgelsen viste, at selv en lille ændring af isotopmasser i de atomisk tynde 2D-halvledermaterialer kan påvirke optiske og elektroniske egenskaber - et fund, der giver et vigtigt grundlag for fortsat forskning.

"Tidligere var troen, at for at lave enheder såsom solcelleanlæg og fotodetektorer, var vi nødt til at kombinere to forskellige halvledermaterialer for at lave forbindelser for at fange excitoner og adskille deres ladninger. Men faktisk kan vi bruge det samme materiale og bare ændre dets isotoper til skabe isotopiske kryds for at fange excitonerne," sagde Xiao.

"Denne forskning fortæller os også, at vi gennem isotopteknik kan tune de optiske og elektroniske egenskaber til at designe nye applikationer."

Til fremtidige eksperimenter planlægger Xiao og holdet at samarbejde med eksperterne på High Flux Isotope Reactor og Isotope Science and Engineering Directorate på ORNL. Disse faciliteter kan give forskellige stærkt berigede isotopprækursorer til at dyrke forskellige isotopisk rene 2D-materialer.

Holdet kan derefter yderligere undersøge isotopeffekten på spinegenskaber til deres anvendelse i spinelektronik og kvanteemission.

Flere oplysninger: Yiling Yu et al., Anomal isotopeffekt på det optiske båndgab i en monolags overgangsmetal dichalcogenid-halvleder, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj0758

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Oak Ridge National Laboratory