Il lavoro è pubblicato sulla rivista Science Advances .

In parte a causa dei semiconduttori, i dispositivi e i sistemi elettronici diventano ogni giorno più avanzati e sofisticati. Ecco perché per decenni i ricercatori hanno studiato modi per migliorare i composti dei semiconduttori per influenzare il modo in cui trasportano la corrente elettrica. Un approccio consiste nell'utilizzare gli isotopi per modificare le proprietà fisiche, chimiche e tecnologiche dei materiali.

Gli isotopi sono membri di una famiglia di un elemento che hanno tutti lo stesso numero di protoni ma un numero diverso di neutroni e quindi masse diverse. L'ingegneria isotopica si è tradizionalmente concentrata sul miglioramento dei cosiddetti materiali sfusi che hanno proprietà uniformi in tre dimensioni o 3D.

Ma una nuova ricerca condotta dall’ORNL ha fatto avanzare la frontiera dell’ingegneria isotopica in cui la corrente è confinata in due dimensioni, o 2D, all’interno di cristalli piatti e dove uno strato ha uno spessore di solo pochi atomi. I materiali 2D sono promettenti perché la loro natura ultrasottile potrebbe consentire un controllo preciso sulle loro proprietà elettroniche.

"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 progettare dispositivi optoelettronici 2D per la microelettronica, celle solari, fotorilevatori e persino successivi tecnologie informatiche di ultima generazione", ha affermato lo scienziato dell'ORNL Kai Xiao.

Yiling Yu, un membro del gruppo di ricerca di 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 o stimolazione con la luce.

"Inaspettatamente, la luce proveniente dal disolfuro di molibdeno con gli atomi di molibdeno più pesanti è stata spostata più verso l'estremità rossa dello spettro, che è opposto allo spostamento che ci si aspetterebbe per i materiali sfusi", ha detto Xiao. Lo spostamento verso il rosso indica un cambiamento nella struttura elettronica o nelle proprietà ottiche del materiale.

Xiao e il team, lavorando con i teorici Volodymyr Turkowski e Talat Rahman dell'Università della Florida Centrale, sapevano che i fononi, o vibrazioni dei cristalli, dovevano disperdere gli eccitoni, o eccitazioni ottiche, in modi inaspettati nelle dimensioni confinate di questi cristalli ultrasottili. .

Hanno scoperto come questa diffusione sposta la banda proibita ottica verso l’estremità rossa dello spettro luminoso per gli isotopi più pesanti. Il "bandgap ottico" si riferisce alla quantità minima di energia necessaria per far sì che un materiale assorba o emetta luce.

Regolando il gap di banda, i ricercatori possono fare in modo che i semiconduttori assorbano o emettano diversi colori di luce e tale regolazione è essenziale per la progettazione di nuovi dispositivi.

Alex Puretzky dell'ORNL ha descritto come diversi cristalli cresciuti su un substrato possano mostrare piccoli cambiamenti nel colore emesso causati dalla tensione 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 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 monostrato", ha detto Xiao.

"Questo ci ha permesso di osservare l'effetto isotopico anomalo intrinseco sulle proprietà ottiche del materiale 2D senza l'interferenza causata da un campione disomogeneo."

Lo studio ha dimostrato che anche un piccolo cambiamento delle masse isotopiche nei materiali semiconduttori 2D atomicamente sottili può influenzare le proprietà ottiche ed elettroniche, una scoperta che fornisce una base importante per la ricerca continua.

"In precedenza, si credeva che per realizzare dispositivi come quelli fotovoltaici e fotorilevatori, dovevamo combinare due diversi materiali semiconduttori per creare giunzioni per intrappolare gli eccitoni e separare le loro cariche. Ma in realtà, possiamo usare lo stesso materiale e semplicemente cambiare i suoi isotopi in creare giunzioni isotopiche per intrappolare gli eccitoni," ha detto Xiao.

"Questa ricerca ci dice anche che attraverso l'ingegneria isotopica possiamo ottimizzare le proprietà ottiche ed elettroniche per progettare nuove applicazioni."

Per gli esperimenti futuri, Xiao e il team intendono collaborare con gli esperti del reattore isotopico ad alto flusso e della direzione di scienza e ingegneria degli isotopi dell'ORNL. Queste strutture possono fornire vari precursori isotopici altamente arricchiti per coltivare diversi materiali 2D isotopicamente puri.

Il team potrà quindi studiare ulteriormente l'effetto degli isotopi sulle proprietà di spin per la loro applicazione nell'elettronica di spin e nell'emissione quantistica.