_ Modificarea izotopilor face lumină asupra promițătorilor abordare a semiconductorilor inginer

Cercetările conduse de oamenii de știință de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie au demonstrat că mici modificări ale conținutului izotopic al materialelor semiconductoare subțiri pot influența proprietățile optice și electronice ale acestora, deschizând posibil calea către modele noi și avansate cu semiconductori.

Lucrarea este publicată în revista Science Advances.

Parțial datorită semiconductorilor, dispozitivele și sistemele electronice devin mai avansate și mai sofisticate în fiecare zi. De aceea, timp de decenii, cercetătorii au studiat modalități de a îmbunătăți compușii semiconductori pentru a influența modul în care aceștia transportă curentul electric. O abordare este utilizarea izotopilor pentru a modifica proprietățile fizice, chimice și tehnologice ale materialelor.

Izotopii sunt membri ai unei familii a unui element care au toți același număr de protoni, dar numere diferite de neutroni și, prin urmare, diferite. mase. Ingineria izotopilor s-a concentrat în mod tradițional pe îmbunătățirea așa-numitelor materiale în vrac care au proprietăți uniforme în trei dimensiuni sau 3D.

Dar noi cercetări conduse de ORNL au avansat granița ingineriei izotopilor în care curentul este limitat în două dimensiuni. , sau 2D, în interiorul cristalelor plate și unde un strat are o grosime de doar câțiva atomi. Materialele 2D sunt promițătoare, deoarece natura lor ultrasubțire ar putea permite un control precis asupra proprietăților lor electronice.

„Am observat un efect izotop surprinzător în proprietățile optoelectronice ale unui singur strat de disulfură de molibden atunci când am înlocuit un izotop mai greu. de molibden în cristal, un efect care deschide oportunități pentru a proiecta dispozitive optoelectronice 2D pentru microelectronice, celule solare, fotodetectoare și chiar tehnologii de calcul de ultimă generație”, a declarat om de știință ORNL Kai Xiao.

Yiling Yu, membru a echipei de cercetare a lui Xiao, a crescut cristale 2D izotopic pure de disulfură de molibden subțiri atomic folosind atomi de molibden de diferite mase. Yu a observat mici modificări ale culorii luminii emise de cristale sub fotoexcitare sau stimulare de către lumină.

„În mod neașteptat, lumina din disulfura de molibden cu atomii de molibden mai grei a fost deplasată mai departe spre capătul roșu al spectrul, care este opus schimbării la care ne-am aștepta pentru materialele în vrac”, a spus Xiao. Deplasarea la roșu indică o schimbare a structurii electronice sau a proprietăților optice ale materialului.

Xiao și echipa, care lucrează cu teoreticienii Volodymyr Turkowski și Talat Rahman de la Universitatea din Florida Centrală, știau că fononii sau vibrațiile cristalelor, trebuie să împrăștie excitonii sau excitațiile optice, în moduri neașteptate, în dimensiunile restrânse ale acestor cristale ultrasubțiri.

Ei au descoperit cum această împrăștiere mută banda interzisă optică la capătul roșu al spectrului de lumină pentru izotopi mai grei. „Bandgap optică” se referă la cantitatea minimă de energie necesară pentru ca un material să absoarbă sau să emită lumină.

Prin ajustarea benzii interzise, ​​cercetătorii pot face ca semiconductori să absoarbă sau să emită diferite culori de lumină, iar o astfel de reglabilitate este esențială pentru proiectarea de noi dispozitive.

Alex Puretzky de la ORNL a descris modul în care diferitele cristale crescute pe un substrat pot prezenta mici modificări ale culorii emise cauzate de tulpina regională în substrat. Pentru a dovedi efectul izotop anormal și pentru a măsura magnitudinea acestuia pentru a le compara cu previziunile teoretice, Yu a crescut cristale de disulfură de molibden cu doi izotopi de molibden într-un singur cristal.

„Lucrarea noastră a fost fără precedent prin faptul că am sintetizat un material 2D cu două izotopi ai aceluiași element, dar cu mase diferite și i-am unit lateral într-un mod controlat și gradual într-un singur cristal monostrat”, a spus Xiao.

„Acest lucru ne-a permis să observăm efectul izotop intrinsec anormal asupra proprietăților optice din materialul 2D fără interferența cauzată de o probă neomogenă.”

Studiul a demonstrat că chiar și un mic modificarea maselor izotopilor în materialele semiconductoare 2D subțiri atomic poate influența proprietățile optice și electronice — o constatare care oferă o bază importantă pentru continuarea cercetării.

„Anterior, se credea că pentru a face dispozitive precum fotovoltaice și fotodetectoare, a trebuit să combinăm două materiale semiconductoare diferite pentru a face joncțiuni pentru a capta excitonii și a le separa încărcăturile. Dar, de fapt, putem folosi același material și doar să-i schimbăm izotopii pentru a crea joncțiuni izotopice pentru a capta excitonii,” a spus Xiao. p>

„Această cercetare ne spune, de asemenea, că prin inginerie izotopică, putem regla proprietățile optice și electronice pentru a proiecta noi aplicații.”

Pentru experimente viitoare, Xiao și echipa plănuiesc să colaboreze cu experți de la Reactorul cu izotopi cu flux ridicat și de la Direcția de Știință și Inginerie a Izotopilor de la ORNL. Aceste facilități pot furniza diferiți precursori izotopici foarte îmbogățiți pentru a crește diferite materiale 2D izotopic pure.

Echipa poate investiga apoi în continuare efectul izotopului asupra proprietăților spinului pentru aplicarea lor în electronica de spin și emisia cuantică.

(Fluierul)