Amerikanische Forscher haben gezeigt, dass kleine Änderungen in der Isotopenzusammensetzung dünner Halbleitermaterialien deren optische und elektronische Eigenschaften beeinflussen können. Diese Entdeckung eröffnet möglicherweise den Weg für neue fortschrittliche Designs unter Verwendung dieser Halbleiter.
Die Bedeutung von Halbleitern in der modernen Elektronik
Halbleiter spielen eine entscheidende Rolle bei der ständigen Weiterentwicklung elektronischer Geräte und Systeme, die jeden Tag fortschrittlicher und anspruchsvoller werden. Seit Jahrzehnten untersuchen Forscher Möglichkeiten, Halbleiterverbindungen zu verbessern, um die Art und Weise zu beeinflussen, wie sie elektrischen Strom leiten. Ein Ansatz ist die Verwendung Isotope die physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften von Materialien zu verändern.
Isotope sind Mitglieder einer Familie von Elementen, die alle die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen und daher eine unterschiedliche Masse haben. Traditionell konzentriert sich die Isotopentechnik auf die Verbesserung sogenannter Materialien.in großen Mengen“, die in drei Dimensionen (3D) einheitliche Eigenschaften aufweisen.
Eine neue Grenze in der 2D-Isotopen-Materialtechnik
Neue Forschungen unter der Leitung des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben jedoch die Grenzen der Isotopentechnik erweitert, bei der der Strom in zwei Dimensionen (2D) innerhalb flacher Kristalle begrenzt ist und eine Schicht nur wenige Atome dick ist. Diese 2D-Materialien sind vielversprechend, da ihre ultradünne Beschaffenheit eine präzise Steuerung ihrer elektronischen Eigenschaften ermöglichen könnte.
Kai Xiao, Wissenschaftler am ORNL, erklärt: „Wir beobachteten einen überraschenden Isotopeneffekt in den optoelektronischen Eigenschaften einer einzelnen Molybdändisulfidschicht, als wir den Kristall durch ein schwereres Molybdänisotop ersetzten. Dieser Effekt eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung optoelektronischer 2D-Geräte für Mikroelektronik, Solarzellen, Fotodetektoren und sogar für die nächsten Jahre. Generation von Computertechnologien.»
Ein unerwarteter Isotopeneffekt in Molybdändisulfidkristallen
Yiling Yu, ein Mitglied des Forschungsteams von Kai Xiao, züchtete isotopenreine 2D-Kristalle aus atomar dünnem Molybdändisulfid unter Verwendung von Molybdänatomen unterschiedlicher Masse. Yu bemerkte kleine Veränderungen in der Farbe des von den Kristallen emittierten Lichts unter Photoanregung, also unter Stimulation durch Licht.
„Unerwarteterweise wurde das Licht von Molybdändisulfid, das die schwereren Molybdänatome enthält, mehr in Richtung des roten Endes des Spektrums verschoben, was das Gegenteil der Verschiebung ist, die man für Massenmaterialien erwarten würde“, stellte Kai Xiao klar. Das Rotverschiebung weist auf eine Änderung der elektronischen Struktur oder der optischen Eigenschaften des Materials hin.
Verständnis der Mechanismen der Exzitonendiffusion in ultradünnen Kristallen
Xiao und sein Team wussten in Zusammenarbeit mit den Theoretikern Volodymyr Turkowski und Talat Rahman von der University of Central Florida, dass Phononen oder Kristallschwingungen Exzitonen oder optische Anregungen auf unerwartete Weise innerhalb der begrenzten Abmessungen dieser ultradünnen Kristalle verteilen müssen. Sie entdeckten, wie diese Diffusion das verändert optische Bandlücke zum roten Ende des Lichtspektrums für schwerere Isotope.
Dort “optische Bandlücke» bezieht sich auf die minimale Energiemenge, die ein Material benötigt, um Licht zu absorbieren oder zu emittieren. Durch die Abstimmung der Bandlücke können Forscher dafür sorgen, dass Halbleiter Licht unterschiedlicher Farben absorbieren oder emittieren. Diese Abstimmungsfähigkeit ist für die Entwicklung neuer Geräte von entscheidender Bedeutung.
Synthese von 2D-Kristallen mit zwei Isotopen desselben Elements
Alex Puretzky vom ORNL beschrieb, wie verschiedene auf einem Substrat gezüchtete Kristalle kleine Verschiebungen in der emittierten Farbe aufweisen können, die durch regionale Spannungen im Substrat verursacht werden. Um den anomalen Isotopeneffekt zu beweisen und sein Ausmaß zu messen, um es mit theoretischen Vorhersagen zu vergleichen, züchtete Yu Molybdändisulfidkristalle mit zwei Molybdänisotopen in einem Einkristall.
„Unsere Arbeit war insofern beispiellos, als wir ein 2D-Material mit zwei Isotopen desselben Elements, aber mit unterschiedlichen Massen, synthetisierten und die Isotope seitlich auf kontrollierte und schrittweise Weise zu einem einzigen einschichtigen Kristall zusammenfügten.“, fügte Kai Xiao hinzu. „Dadurch konnten wir den intrinsischen anomalen Isotopeneffekt auf die optischen Eigenschaften im 2D-Material beobachten, ohne die durch eine inhomogene Probe verursachten Störungen.»
Perspektiven für neue Anwendungen dank Isotopentechnik
Die Studie zeigte, dass bereits eine kleine Änderung der Isotopenmasse in atomar dünnen 2D-Halbleitermaterialien die optischen und elektronischen Eigenschaften beeinflussen kann – eine Erkenntnis, die eine wichtige Grundlage für weitere Forschungen darstellt.
Kai Xiao erklärt: „Bisher ging man davon aus, dass die Herstellung von Geräten wie Photovoltaik und Fotodetektoren die Kombination zweier verschiedener Halbleitermaterialien erfordert, um Übergänge zu schaffen, die Exzitonen einfangen und ihre Ladungen trennen. Aber in Wirklichkeit können wir dasselbe Material verwenden und einfach seine Isotope ändern, um etwas zu erschaffen Isotopenübergänge um die Exzitonen einzufangen. Diese Forschung zeigt uns auch, dass wir durch Isotopentechnik optische und elektronische Eigenschaften anpassen können, um neue Anwendungen zu entwickeln.»
Bildunterschrift: Es ist überraschend festzustellen, dass eine Änderung der Isotopenmassen von Molybdän in einer einzelnen Schicht aus Halbleiter-Molybdändisulfid die Farbe des emittierten Lichts verändert, wenn die Schicht beleuchtet wird. Die Studie zeigte das Potenzial der Isotopentechnik für die Entwicklung neuer Technologien in 2D-Materialien auf. Bildnachweis: Chris Rouleau/ORNL, US-Abteilung. der Energie
Artikel: „Anomaler Isotopeneffekt auf die optische Bandlücke in einem einschichtigen Übergangsmetall-Dichalkogenid-Halbleiter“ – DOi: 10.1126/sciadv.adj0758
