Cristalli a 2 isotopi per un effetto ottico sorprendente

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Ricercatori americani hanno dimostrato che piccoli cambiamenti nella composizione isotopica di materiali semiconduttori sottili possono influenzarne le proprietà ottiche ed elettroniche. Questa scoperta apre potenzialmente la strada a nuovi progetti avanzati che utilizzano questi semiconduttori.

L’importanza dei semiconduttori nell’elettronica moderna

I semiconduttori svolgono un ruolo cruciale nella costante evoluzione di dispositivi e sistemi elettronici, che diventano ogni giorno più avanzati e sofisticati. Per decenni, i ricercatori hanno studiato modi per migliorare i composti dei semiconduttori per influenzare il modo in cui conducono la corrente elettrica. Un approccio è utilizzare isotopi modificare le proprietà fisiche, chimiche e tecnologiche dei materiali.

Gli isotopi sono membri di una famiglia di elementi che hanno tutti lo stesso numero di protoni ma un diverso numero di neutroni, e quindi una massa diversa. L’ingegneria isotopica si è tradizionalmente concentrata sul miglioramento dei cosiddetti materiali.all’ingrosso”, che mostrano proprietà uniformi in tre dimensioni (3D).

Una nuova frontiera nell’ingegneria dei materiali isotopici 2D

Tuttavia, una nuova ricerca condotta dall’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha fatto avanzare la frontiera dell’ingegneria isotopica in cui la corrente è confinata in due dimensioni (2D) all’interno di cristalli piatti e dove uno strato è spesso solo pochi atomi. Questi Materiali 2D sono promettenti perché la loro natura ultrasottile potrebbe consentire un controllo preciso delle loro proprietà elettroniche.

Kai Xiao, uno scienziato dell’ORNL, spiega: “Abbiamo osservato un sorprendente effetto isotopico nelle proprietà optoelettroniche di un singolo strato di disolfuro di molibdeno quando abbiamo sostituito un isotopo più pesante di molibdeno nel cristallo, un effetto che apre opportunità per la progettazione di dispositivi optoelettronici 2D per la microelettronica, celle solari, fotorilevatori e persino tecnologie informatiche di nuova generazione.»

Un effetto isotopico inaspettato nei cristalli di disolfuro di molibdeno

Yiling Yu, un membro del gruppo di ricerca di Kai Xiao, ha coltivato cristalli 2D isotopicamente puri di disolfuro di molibdeno atomicamente sottile utilizzando atomi di molibdeno di masse diverse. Yu ha notato piccoli cambiamenti nel colore della luce emessa dai cristalli sotto fotoeccitazione, cioè sotto stimolazione della luce.

Inaspettatamente, la luce proveniente dal disolfuro di molibdeno contenente gli atomi di molibdeno più pesanti è stata spostata maggiormente verso l’estremità rossa dello spettro, che è l’opposto dello spostamento che ci si aspetterebbe per i materiali sfusi.“, ha chiarito Kai Xiao. Questo spostamento verso il rosso indica un cambiamento nella struttura elettronica o nelle proprietà ottiche del materiale.

Comprensione dei meccanismi di diffusione degli eccitoni nei cristalli ultrasottili

Xiao e il suo team, lavorando con i teorici Volodymyr Turkowski e Talat Rahman dell’Università della Florida Centrale, sapevano che i fononi, o vibrazioni dei cristalli, devono disperdere gli eccitoni, o eccitazioni ottiche, in modi inaspettati all’interno delle dimensioni confinate di questi cristalli ultrasottili. Hanno scoperto come questa diffusione sposta il banda proibita ottica verso l’estremità rossa dello spettro luminoso per gli isotopi più pesanti.

Là “banda proibita ottica» si riferisce alla quantità minima di energia richiesta affinché un materiale assorba o emetta luce. Regolando il bandgap, i ricercatori possono fare in modo che i semiconduttori assorbano o emettano diversi colori di luce, e questa capacità di regolazione è essenziale per la progettazione di nuovi dispositivi.

Sintesi di cristalli 2D con due isotopi dello stesso elemento

Alex Puretzky dell’ORNL ha descritto come diversi cristalli cresciuti su un substrato possano mostrare piccoli cambiamenti nel colore emesso, causati dallo stress regionale nel substrato. Per dimostrare l’effetto isotopico anomalo e misurarne l’entità per confrontarlo con le previsioni teoriche, Yu ha coltivato cristalli di disolfuro di molibdeno con due isotopi di molibdeno in un singolo cristallo.

Il nostro lavoro non ha precedenti in quanto abbiamo sintetizzato un materiale 2D con due isotopi dello stesso elemento ma con masse diverse e abbiamo unito gli isotopi lateralmente in modo controllato e graduale in un unico cristallo a strato singolo.“, ha aggiunto Kai Xiao. “Ciò ci ha permesso di osservare l’effetto isotopico anomalo intrinseco sulle proprietà ottiche nel materiale 2D senza l’interferenza causata da un campione disomogeneo.»

Prospettive di nuove applicazioni grazie all’ingegneria isotopica

Lo studio ha dimostrato che anche un piccolo cambiamento nella massa isotopica nei materiali semiconduttori 2D atomicamente sottili può influenzare le proprietà ottiche ed elettroniche, una scoperta che fornisce una base importante per ulteriori ricerche.

Kai Xiao spiega: “In precedenza, si pensava che per realizzare dispositivi come quelli fotovoltaici e fotorilevatori fosse necessario combinare due diversi materiali semiconduttori per creare giunzioni in grado di intrappolare gli eccitoni e separare le loro cariche. Ma in realtà possiamo usare lo stesso materiale e semplicemente cambiarne gli isotopi per crearlo giunzioni isotopiche per intrappolare gli eccitoni. Questa ricerca ci dice anche che attraverso l’ingegneria isotopica possiamo ottimizzare le proprietà ottiche ed elettroniche per progettare nuove applicazioni.»

Didascalia dell’illustrazione: È sorprendente notare che cambiando le masse isotopiche del molibdeno in un singolo strato di bisolfuro di molibdeno semiconduttore cambia il colore della luce emessa quando lo strato è illuminato. Lo studio ha rivelato il potenziale dell’ingegneria isotopica per progettare nuove tecnologie nei materiali 2D. Crediti: Chris Rouleau/ORNL, Dipartimento degli Stati Uniti. di Energia

Articolo: “Effetto isotopico anomalo sulla banda proibita ottica in un semiconduttore dicalcogenuro di metallo di transizione monostrato” – DOi: 10.1126/sciadv.adj0758

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