由能源部橡树岭国家实验室科学家领导的研究表明，薄半导体材料同位素含量的微小变化可以影响其光学和电子特性，可能为半导体的新的和先进的设计开辟道路。
部分原因是半导体、电子设备和系统变得越来越先进和复杂。 这就是为什么研究人员几十年来一直在研究改进半导体Compound的方法，以影响它们承载电流的方式。 一种方法是使用同位素来改变材料的物理、化学和技术特性。
同位素是元素家族的成员，它们都具有相同数量的质子，但具有不同数量的中子，因此具有不同的质量。 同位素工程传统上专注于增强所谓的块状材料，这些材料在三维（3D）上具有均匀的特性。 但橡树岭国家实验室领导的新研究推进了同位素工程的前沿，其中电流被限制在二维或二维平面晶体内，并且其中一层只有几个Atom厚。 二维材料很有前途，因为它们的超薄特性可以精确控制其电子特性。
“当我们替换晶体中较重的钼同位素时，我们在单层二硫化钼的光电特性中观察到令人惊讶的同位素效应，这种效应为微电子、太阳能电池、光电探测器甚至下一代设计二维光电器件提供了机会一代计算技术。”橡树岭国家实验室科学家肖凯说道。
肖的研究小组成员于一岭利用不同质量的钼Atom生长出了Atom级薄的二硫化钼的同位素纯二维晶体。 于注意到在光激发或光刺激下晶体发出的光的颜色发生了微小的变化。
“出乎意料的是，来自具有较重钼Atom的二硫化钼的光进一步移动到光谱的红端，这与人们对散装材料的预期相反，”肖说。 红移表示材料的电子结构或光学性质的变化。
肖和他的团队与中佛罗里达大学的理论家 Volodymyr Turkowski 和 Talat Rahman 合作，知道声子或晶体振动一定会在这些超薄晶体的有限尺寸中以意想不到的方式散射激子或光学激发。 。 他们发现这种散射如何将重同位素的光学带隙移动到光谱的红端。 “光学带隙”是指使材料吸收或发射光所需的最小能量。 通过调整带隙，研究人员可以使半导体吸收或发射不同颜色的光，这种可调性对于设计新器件至关重要。
ORNL 的 Alex Puretzky 描述了在基板上生长的不同晶体如何显示出由基板中的区域应变引起的发射颜色的微小变化。 为了证明异常同位素效应并测量其大小以与理论预测进行比较，Yu 生长了在一个晶体中含有两种钼同位素的二硫化钼晶体。
肖说：“我们的工作是前所未有的，因为我们合成了具有相同元素但质量不同的两种同位素的二维材料，并且我们以受控和渐进的方式将同位素横向连接到单个单层晶体中。” “这使我们能够观察二维材料光学特性的固有异常同位素效应，而不会受到不均匀样品造成的干扰。”
该研究表明，即使Atom级薄的二维半导体材料中同位素质量的微小变化也会影响光学和电子特性——这一发现为继续研究提供了重要基础。
“以前，人们认为，为了制造光伏和光电探测器等设备，我们必须结合两种不同的半导体材料来形成结，以捕获激子并分离它们的电荷。但实际上，我们可以使用相同的材料，只需改变其同位素即可创造同位素结来捕获激子，”肖说。 “这项研究还告诉我们，通过同位素工程，我们可以调整光学和电子特性来设计新的应用。”
对于未来的实验，肖和团队计划与橡树岭国家实验室高通量同位素反应堆和同位素科学与工程理事会的专家合作。 这些设施可以提供各种高浓缩同位素前体来生长不同的同位素纯二维材料。 然后，该团队可以进一步研究同位素对自旋特性的影响，以使其在自旋电子学和量子发射中的应用。
这项工作得到了能源部科学办公室、基础能源科学、材料科学和工程部的支持，并在科学办公室用户设施 ORNL 的Nano相材料科学中心 (CNMS) 进行。 CNMS 支持 TOF-SIMS、STEM 和光谱测量。
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