تحقیقات انجام شده توسط دانشمندان آزمایشگاه ملی Oak Ridge در وزارت انرژی نشان داده است که تغییرات جزئی در محتوای ایزوتوپی مواد نیمه هادی نازک می تواند بر خواص نوری و الکترونیکی آنها تأثیر بگذارد و به طور بالقوه راه را برای طراحی های جدید و بهبود یافته با نیمه هادی ها باز کند.

تا حدی به لطف نیمه هادی ها، دستگاه ها و سیستم های الکترونیکی هر روز پیشرفته تر و پیچیده تر می شوند. به همین دلیل است که برای چندین دهه محققان روش هایی را برای بهبود ترکیبات نیمه هادی برای تأثیرگذاری بر نحوه حمل الکتریسیته مورد مطالعه قرار داده اند. یک رویکرد استفاده است ایزوتوپ ها%20%20amembers%20of%20a و%20e%20atomic%20number%206.”>ایزوتوپ ها برای تغییر خواص فیزیکی، شیمیایی و تکنولوژیکی مواد.

ایزوتوپ ها اعضای خانواده ای از عناصر هستند که همگی دارای تعداد پروتون یکسان اما تعداد نوترون های متفاوت و در نتیجه جرم های متفاوت هستند. مهندسی ایزوتوپ به طور سنتی بر روی بهبود مواد به اصطلاح حجیم متمرکز شده است که دارای خواص یکنواخت در سه بعدی یا سه بعدی هستند. اما تحقیقات جدید به رهبری ORNL مرز مهندسی ایزوتوپ را ارتقا داده است، جایی که جریان به صورت دو بعدی یا 2 بعدی در داخل کریستال های مسطح محدود می شود و لایه ای تنها چند اتم ضخامت دارد. مواد دوبعدی امیدوارکننده هستند زیرا ماهیت بسیار نازک آنها می‌تواند کنترل دقیقی بر روی خواص الکترونیکی آنها داشته باشد.

زمانی که یک ایزوتوپ سنگین‌تر مولیبدن را در کریستال جایگزین کردیم، یک اثر ایزوتوپی شگفت‌انگیز را در خواص نوری یک لایه دی سولفید مولیبدن مشاهده کردیم، اثری که امکان طراحی دستگاه‌های اپتوالکترونیکی دوبعدی را برای میکروالکترونیک، سلول‌های خورشیدی، سلول‌های خورشیدی، و فتودتکتور باز می‌کند. کای شیائو، دانشمند ORNL، گفت: فناوری‌های محاسباتی بعدی.

ییلینگ یو، یکی از اعضای تیم تحقیقاتی شیائو، بلورهای دو بعدی خالص ایزوتوپی از دی سولفید مولیبدن نازک اتمی را با استفاده از اتم های مولیبدن با جرم های مختلف رشد داد. یو متوجه تغییرات کوچکی در رنگ نور ساطع شده توسط کریستال ها در هنگام تحریک نور یا تحریک نور شد.

شیائو گفت: «به طور غیرمنتظره‌ای، نور دی سولفید مولیبدن با اتم‌های سنگین‌تر مولیبدن بیشتر به سمت انتهای قرمز طیف منتقل شد، که برخلاف تغییری است که برای مواد حجیم انتظار می‌رود. تغییر رنگ قرمز نشان دهنده تغییر در ساختار الکترونیکی یا خواص نوری ماده است.

شیائو و تیمش که با نظریه‌پردازان ولودیمیر ترکوفسکی و طلعت رحمان از دانشگاه فلوریدا مرکزی کار می‌کردند، می‌دانستند که فونون‌ها یا ارتعاشات کریستالی باید اکسیتون‌ها یا برانگیختگی‌های نوری را به روش‌های غیرمنتظره‌ای در ابعاد محدود این کریستال‌های بسیار نازک پراکنده کنند. آنها کشف کردند که چگونه این پراکندگی نوار نوری را به سمت انتهای قرمز طیف نور برای سنگین تر می برد. ایزوتوپ ها. “پهنای باند نوری” به حداقل مقدار انرژی مورد نیاز برای جذب یا انتشار نور از یک ماده اشاره دارد. با تنظیم شکاف باند، محققان می توانند نیمه هادی ها را جذب یا ساطع کنند رنگ های مختلف نور، و چنین قابلیت تنظیم برای طراحی دستگاه های جدید ضروری است.

Alex Puretsky از ORNL توضیح داد که چگونه کریستال های مختلف رشد کرده روی یک بستر می توانند تغییرات کوچکی را در رنگ ساطع شده ناشی از تنش منطقه ای در بستر نشان دهند. برای نشان دادن اثر ایزوتوپ غیرعادی و اندازه گیری اندازه آن برای مقایسه آن با پیش بینی های نظری، یو بلورهای دی سولفید مولیبدن را با دو مولیبدن رشد داد. ایزوتوپ ها در یک کریستال

“کار ما بی سابقه بود زیرا ما یک ماده دو بعدی را با دو ترکیب کردیم ایزوتوپ ها از یک عنصر، اما از توده های مختلف، و ما به آن ملحق شدیم ایزوتوپ ها شیائو گفت. این به ما اجازه داد تا اثر ایزوتوپ غیرعادی ذاتی را بر روی خواص نوری ماده دو بعدی بدون اختلالات ناشی از یک نمونه ناهمگن مشاهده کنیم.

این مطالعه نشان داد که حتی یک تغییر کوچک در جرم ایزوتوپی در مواد نیمه هادی دو بعدی نازک اتمی می تواند بر خواص نوری و الکترونیکی تأثیر بگذارد، یافته ای که مبنای مهمی برای تحقیقات بیشتر فراهم می کند.

قبلاً اعتقاد بر این بود که برای ساخت دستگاه‌هایی مانند فتوولتائیک و آشکارسازهای نوری، باید دو ماده نیمه‌رسانای مختلف را با هم ترکیب کنیم تا اتصالاتی ایجاد کنیم تا اکسیتون‌ها را به دام بیاندازیم و بارهای آنها را جدا کنیم. اما ما در واقع می توانیم از همان مواد استفاده کنیم و فقط آن را تغییر دهیم ایزوتوپ ها شیائو گفت: برای ایجاد پیوندهای ایزوتوپی برای به دام انداختن اکسیتون ها. این تحقیق همچنین به ما می گوید که با مهندسی ایزوتوپ می توانیم خواص نوری و الکترونیکی را برای طراحی برنامه های کاربردی جدید تنظیم کنیم.

برای آزمایش‌های آتی، شیائو و تیم قصد دارند با کارشناسان رآکتور شار بالا ایزوتوپ و اداره علوم و مهندسی ایزوتوپ در ORNL همکاری کنند. این امکانات می توانند انواع پیش سازهای ایزوتوپی بسیار غنی شده را برای رشد انواع مواد 2 بعدی ایزوتوپی خالص فراهم کنند. سپس این تیم می‌تواند تأثیر ایزوتوپ بر خواص اسپین را برای کاربرد آنها در الکترونیک اسپین و انتشار کوانتومی بررسی کند.

سند توصیف مطالعه است منتشر شده در پیشرفت علمی.

این کار توسط بخش علوم، انرژی پایه، علم مواد و مهندسی DOE پشتیبانی می‌شود و در مرکز علوم مواد نانوفاز یا CNMS در ORNL، یک مرکز کاربر دفتر علوم انجام شد. CNMS از TOF-SIMS، STEM و طیف‌سنجی نوری پشتیبانی می‌کند.

UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم DOE مدیریت می کند. دفتر علوم که بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است، برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.