Wetenschap
Het aanpassen van isotopen werpt licht op een veelbelovende aanpak voor het engineeren van halfgeleiders
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .
Mede dankzij halfgeleiders worden elektronische apparaten en systemen elke dag geavanceerder en geavanceerder. Dat is de reden waarom onderzoekers decennialang manieren hebben bestudeerd om halfgeleiderverbindingen te verbeteren en zo de manier waarop ze elektrische stroom geleiden te beïnvloeden. Eén benadering is het gebruik van isotopen om de fysische, chemische en technologische eigenschappen van materialen te veranderen.
Isotopen zijn leden van een familie van een element die allemaal hetzelfde aantal protonen hebben, maar een verschillend aantal neutronen en dus verschillende massa's. Isotopentechniek heeft zich van oudsher gericht op het verbeteren van zogenaamde bulkmaterialen die uniforme eigenschappen hebben in drie dimensies, oftewel 3D.
Maar nieuw onderzoek onder leiding van ORNL heeft de grens van de isotopentechniek verlegd, waarbij de stroom wordt beperkt tot twee dimensies, of 2D, in platte kristallen en waarbij een laag slechts een paar atomen dik is. De 2D-materialen zijn veelbelovend omdat hun ultradunne karakter nauwkeurige controle over hun elektronische eigenschappen mogelijk maakt.
"We hebben een verrassend isotoopeffect waargenomen in de opto-elektronische eigenschappen van een enkele laag molybdeendisulfide toen we een zwaardere isotoop van molybdeen in het kristal vervingen, een effect dat mogelijkheden opent voor het ontwerpen van 2D-opto-elektronische apparaten voor micro-elektronica, zonnecellen, fotodetectoren en zelfs volgende -generatie computertechnologieën", zegt ORNL-wetenschapper Kai Xiao.
Yiling Yu, lid van Xiao's onderzoeksteam, kweekte isotopisch zuivere 2D-kristallen van atomair dun molybdeendisulfide met behulp van molybdeenatomen met verschillende massa's. Yu merkte kleine verschuivingen op in de kleur van het licht dat door de kristallen werd uitgezonden onder foto-excitatie of stimulatie door licht.
"Onverwachts werd het licht van het molybdeendisulfide met de zwaardere molybdeenatomen verder verschoven naar het rode uiteinde van het spectrum, wat tegengesteld is aan de verschuiving die je zou verwachten voor bulkmaterialen," zei Xiao. De rode verschuiving duidt op een verandering in de elektronische structuur of optische eigenschappen van het materiaal.
Xiao en het team, die samenwerkten met theoretici Volodymyr Turkowski en Talat Rahman van de Universiteit van Centraal-Florida, wisten dat de fononen, of kristaltrillingen, de excitonen, of optische excitaties, op onverwachte manieren moeten verstrooien in de beperkte afmetingen van deze ultradunne kristallen. .
Ze ontdekten hoe deze verstrooiing de optische bandafstand verschuift naar het rode uiteinde van het lichtspectrum voor zwaardere isotopen. "Optische bandafstand" verwijst naar de minimale hoeveelheid energie die nodig is om een materiaal licht te laten absorberen of uitstralen.
Door de bandafstand aan te passen kunnen onderzoekers ervoor zorgen dat halfgeleiders verschillende kleuren licht absorberen of uitzenden, en een dergelijke afstemming is essentieel voor het ontwerpen van nieuwe apparaten.
Alex Puretzky van ORNL beschreef hoe verschillende kristallen die op een substraat zijn gegroeid, kleine verschuivingen in de uitgezonden kleur kunnen vertonen, veroorzaakt door regionale spanning in het substraat. Om het abnormale isotoopeffect te bewijzen en de omvang ervan te meten in vergelijking met theoretische voorspellingen, liet Yu molybdeendisulfidekristallen groeien met twee molybdeenisotopen in één kristal.
"Ons werk was ongekend omdat we een 2D-materiaal synthetiseerden met twee isotopen van hetzelfde element maar met verschillende massa's, en we de isotopen lateraal op een gecontroleerde en geleidelijke manier samenvoegden in een enkelvoudig gelaagd kristal," zei Xiao.
"Hierdoor konden we het intrinsieke afwijkende isotoopeffect op de optische eigenschappen in het 2D-materiaal waarnemen zonder de interferentie veroorzaakt door een inhomogeen monster."
Het onderzoek toonde aan dat zelfs een kleine verandering in de isotoopmassa's in de atomair dunne 2D-halfgeleidermaterialen de optische en elektronische eigenschappen kan beïnvloeden – een bevinding die een belangrijke basis vormt voor verder onderzoek.
“Vroeger was de overtuiging dat we, om apparaten zoals fotovoltaïsche zonne-energie en fotodetectoren te maken, twee verschillende halfgeleidermaterialen moesten combineren om verbindingen te maken om excitonen op te vangen en hun ladingen te scheiden. Maar eigenlijk kunnen we hetzelfde materiaal gebruiken en gewoon de isotopen veranderen in creëren isotopische verbindingen om de excitonen op te vangen,” zei Xiao.
"Dit onderzoek vertelt ons ook dat we door middel van isotopentechniek de optische en elektronische eigenschappen kunnen afstemmen om nieuwe toepassingen te ontwerpen."
Voor toekomstige experimenten zijn Xiao en het team van plan samen te werken met de experts van de High Flux Isotope Reactor en het Isotope Science and Engineering Directorate van ORNL. Deze faciliteiten kunnen verschillende sterk verrijkte isotopenvoorlopers leveren om verschillende isotopisch zuivere 2D-materialen te laten groeien.
Het team kan vervolgens het isotoopeffect op spin-eigenschappen verder onderzoeken voor hun toepassing in spin-elektronica en kwantumemissie.