Rispetto ai materiali sfusi, materiali atomicamente sottili come i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD) offrono vantaggi in termini di dimensioni e sintonizzabilità rispetto ai materiali tradizionali nello sviluppo di dispositivi elettronici e ottici in miniatura. I TMD bidimensionali sono di particolare interesse perché hanno potenziali applicazioni nella conversione dell'energia, elettronica e informatica quantistica. Le proprietà di questi materiali possono essere regolate da forze esterne come l'applicazione di sforzi di trazione o campi elettrici, ma fino a poco tempo fa nessuno aveva identificato un mezzo per sintonizzare intrinsecamente questi materiali per proprietà fotoluminescenti o optoelettroniche ottimali.

Per mettere a punto il materiale senza bisogno di forze esterne, i ricercatori di Los Alamos ei loro collaboratori esterni hanno invece cercato di controllare i rapporti degli isotopi all'interno dei TMD. Questo tipo di manipolazione delicata è stata recentemente resa più semplice utilizzando la spettrometria di retrodiffusione di Rutherford grazie ai miglioramenti all'acceleratore tandem del laboratorio di materiali a fascio di ioni, che è stato aggiornato lo scorso anno per una regolazione energetica più precisa, migliore controllo della stabilità del raggio e maggiore affidabilità nelle operazioni complessive. Le nuove capacità hanno permesso al team di effettuare misurazioni precise dei rapporti atomici nei loro campioni e caratterizzare i materiali di alta qualità che erano essenziali per testare l'effetto della concentrazione isotopica sul comportamento dei materiali.

Per la prima volta, questa squadra è stata in grado di far crescere un materiale TMD isotopicamente puro e altamente uniforme di soli sei atomi di spessore. Hanno confrontato questo con un film altrimenti identico di TMD naturalmente abbondante, che ha diversi isotopi diversi all'interno del materiale. Oltre a caratterizzare la struttura della banda elettronica e gli spettri vibrazionali, il team ha scoperto un effetto sorprendentemente grande nell'emissione di luce che lo stato attuale della teoria non è riuscito a spiegare.

Poiché diversi isotopi di un elemento hanno lo stesso numero di particelle cariche (elettroni e protoni), le variazioni isotopiche della massa atomica sono dovute a particelle non cariche (neutroni) e quindi non si prevede che abbiano un effetto sulla struttura della banda elettronica o sull'emissione ottica. Infatti, questa ipotesi è così comune che i teorici di solito non considerano la composizione isotopica quando modellano queste proprietà. In questo lavoro presentato in Nano lettere , il team ha scoperto che la composizione isotopica aveva un sorprendente effetto di spostamento verso il blu sugli spettri di emissione della luce. Per indagare su questo, hanno eseguito ulteriori studi e proposto un modello per l'effetto. Propongono che l'effetto della purificazione isotopica sulla massa atomica porti a una diminuzione delle energie dei fononi e, in definitiva, a una differenza nell'energia di rinormalizzazione del gap di banda elettronico, causando lo spostamento ottico.

Per futuri esperimenti, il gruppo prevede di utilizzare ulteriormente le risorse IBML. Oltre all'analisi di alta precisione e alla capacità di impianto sull'acceleratore tandem aggiornato, IBML ospita anche due impiantatori di ioni a bassa energia che possono drogare chimicamente e/o introdurre difetti "desiderati" nel campione isotopico puro. Essi ipotizzano che la creazione di difetti isotopici nella struttura avrà effetti pronunciati sulle proprietà ottiche e termiche del materiale.

Il lavoro è stato finanziato da un premio alla CARRIERA della National Science Foundation concesso a Pettes. La caratterizzazione di precisione del film sottile è stata resa possibile dallo Ion Beam Materials Laboratory, operato come parte del gruppo Materials Science in Radiation and Dynamics Extremes nella Materials Science and Technology Division. L'IBML è classificato come risorsa utente DOE attraverso il Center for Integrated Nanotechnologies (CINT), un centro di ricerca sulle nanoscienze del DOE gestito congiuntamente dai laboratori nazionali di Los Alamos e Sandia. Gli aggiornamenti all'acceleratore in tandem sono stati finanziati dal Principal Associate Directorate for Science, Fondo di investimento di capitale di tecnologia e ingegneria e il fondo di sviluppo delle capacità CINT.

Il lavoro supporta le aree di missione scientifica e di sicurezza energetica del laboratorio e il suo pilastro scientifico Materiali per il futuro identificando le proprietà dei materiali che migliorano le prestazioni nella conversione dell'energia e consentono lo sviluppo di nuovi dispositivi.