In vergelijking met bulkmaterialen, atomair dunne materialen zoals overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's) bieden voordelen op het gebied van grootte en afstembaarheid ten opzichte van traditionele materialen bij de ontwikkeling van miniatuur elektronische en optische apparaten. De 2-dimensionale TMD's zijn van bijzonder belang omdat ze potentiële toepassingen hebben in energieconversie, elektronica en kwantumcomputers. De eigenschappen van deze materialen kunnen worden afgestemd door externe krachten zoals het uitoefenen van trekspanning of elektrische velden, maar tot voor kort, niemand had een manier gevonden om deze materialen intrinsiek af te stemmen op optimale fotoluminescerende of opto-elektronische eigenschappen.

Om het materiaal af te stemmen zonder externe krachten nodig te hebben, onderzoekers van Los Alamos en hun externe medewerkers probeerden in plaats daarvan de verhoudingen van isotopen binnen TMD's te beheersen. Dit soort delicate manipulatie is recentelijk gemakkelijker gemaakt met behulp van Rutherford-terugverstrooiingsspectrometrie dankzij verbeteringen aan de tandemversneller van het Ion Beam Materials Laboratory, die vorig jaar werd geüpgraded voor een nauwkeurigere energieafstemming, betere controle over de stabiliteit van de straal en verbeterde betrouwbaarheid in algemene operaties. Dankzij de nieuwe mogelijkheden kon het team nauwkeurige metingen doen van de atomaire verhoudingen in hun monsters en de hoogwaardige materialen karakteriseren die essentieel waren voor het testen van het effect van isotopenconcentratie op het materiaalgedrag.

Voor de eerste keer, dit team was in staat om een ​​isotopisch zuiver en zeer uniform TMD-materiaal te kweken van slechts zes atomen dik. Ze vergeleken dit met een overigens identieke film van natuurlijk overvloedige TMD, die verschillende isotopen in het materiaal heeft. Samen met het karakteriseren van de elektronische bandstructuur en trillingsspectra, het team vond een verrassend groot effect in lichtemissie dat de huidige stand van de theorie niet kon verklaren.

Omdat verschillende isotopen van een element hetzelfde aantal geladen deeltjes (elektronen en protonen) hebben, isotopenvariaties in atomaire massa zijn het gevolg van ongeladen deeltjes (neutronen) en zullen daarom naar verwachting geen effect hebben op de elektronische bandstructuur of optische emissie. In feite, deze veronderstelling is zo gebruikelijk dat theoretici gewoonlijk isotopensamenstelling niet overwegen bij het modelleren van deze eigenschappen. In dit werk gepresenteerd in Nano-letters , het team ontdekte dat isotopensamenstelling een verrassend blauwverschuivingseffect had op de lichtemissiespectra. Om dit te onderzoeken, ze voerden aanvullende onderzoeken uit en stelden een model voor het effect voor. Ze stellen voor dat het effect van isotopische zuivering op de atomaire massa leidt tot een afname van de fonon-energieën en uiteindelijk tot een verschil in de renormalisatie-energie van de elektronische bandgap, waardoor de optische verschuiving ontstaat.

Voor toekomstige experimenten, de groep is van plan om IBML-resources verder te gebruiken. Naast zeer nauwkeurige analyse en implantatiemogelijkheden op de verbeterde tandemversneller, IBML herbergt ook twee lage-energetische ionenimplanteerders die chemisch kunnen dopen en/of "gewenste" defecten in het isotopisch zuivere monster kunnen introduceren. Ze veronderstellen dat het creëren van isotopendefecten in de structuur uitgesproken effecten zal hebben op de optische en thermische eigenschappen van het materiaal.

Het werk werd gefinancierd door een National Science Foundation CAREER Award toegekend aan Pettes. Precisie karakterisering van dunne film werd mogelijk gemaakt door het Ion Beam Materials Laboratory, opereerde als onderdeel van de Materials Science in Radiation and Dynamics Extremes-groep in de Materials Science and Technology Division. De IBML is geclassificeerd als een DOE-gebruikersbron via het Center for Integrated Nanotechnologies (CINT), een DOE-nanowetenschappelijk onderzoekscentrum dat gezamenlijk wordt beheerd door de nationale laboratoria Los Alamos en Sandia. Upgrades naar de tandemversneller werden gefinancierd door de Principal Associate Directorate for Science, Technology and Engineering kapitaalinvesteringsfonds en het CINT-vermogensontwikkelingsfonds.

Het werk ondersteunt de missiegebieden van het laboratorium voor energiezekerheid en fundamentele wetenschappelijke doeleinden en de wetenschappelijke pijler Materialen voor de toekomst door de materiaaleigenschappen te identificeren die de prestaties bij energieconversie verbeteren en de ontwikkeling van nieuwe apparaten mogelijk maken.