Investigadores estadounidenses han demostrado que pequeños cambios en la composición isotópica de materiales semiconductores delgados pueden influir en sus propiedades ópticas y electrónicas. Este descubrimiento abre potencialmente el camino a nuevos diseños avanzados que utilicen estos semiconductores.
La importancia de los semiconductores en la electrónica moderna.
Los semiconductores juegan un papel crucial en la constante evolución de los dispositivos y sistemas electrónicos, que cada día son más avanzados y sofisticados. Durante décadas, los investigadores han estudiado formas de mejorar los compuestos semiconductores para influir en la forma en que conducen la corriente eléctrica. Un enfoque es utilizar isótopos modificar las propiedades físicas, químicas y tecnológicas de los materiales.
Los isótopos son miembros de una familia de elementos que tienen el mismo número de protones pero un número diferente de neutrones y, por lo tanto, una masa diferente. La ingeniería isotópica se ha centrado tradicionalmente en la mejora de los llamados materiales.al por mayor”, que exhiben propiedades uniformes en tres dimensiones (3D).
Una nueva frontera en la ingeniería de materiales isotópicos 2D
Sin embargo, una nueva investigación dirigida por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. ha avanzado la frontera de la ingeniería isotópica donde la corriente está confinada en dos dimensiones (2D) dentro de cristales planos y donde una capa tiene solo unos pocos átomos de espesor. Estos materiales 2D son prometedores porque su naturaleza ultrafina podría permitir un control preciso de sus propiedades electrónicas.
Kai Xiao, científico del ORNL, explica: “Observamos un efecto isotópico sorprendente en las propiedades optoelectrónicas de una sola capa de disulfuro de molibdeno cuando sustituimos un isótopo de molibdeno más pesado en el cristal, un efecto que abre oportunidades para diseñar dispositivos optoelectrónicos 2D para microelectrónica, células solares, fotodetectores e incluso próximas aplicaciones. tecnologías informáticas de nueva generación.»
Un efecto isotópico inesperado en cristales de disulfuro de molibdeno
Yiling Yu, miembro del equipo de investigación de Kai Xiao, cultivó cristales 2D isotópicamente puros de disulfuro de molibdeno atómicamente delgado utilizando átomos de molibdeno de diferentes masas. Yu notó pequeños cambios en el color de la luz emitida por los cristales bajo fotoexcitación, es decir, bajo estimulación por luz.
“Inesperadamente, la luz del disulfuro de molibdeno que contiene los átomos de molibdeno más pesados se desplazó más hacia el extremo rojo del espectro, que es lo opuesto al desplazamiento que uno esperaría de los materiales a granel.“, aclaró Kai Xiao. Este corrimiento al rojo indica un cambio en la estructura electrónica o propiedades ópticas del material.
Comprender los mecanismos de difusión de excitones en cristales ultrafinos.
Xiao y su equipo, en colaboración con los teóricos Volodymyr Turkowski y Talat Rahman de la Universidad de Florida Central, sabían que los fonones, o vibraciones de los cristales, deben dispersar los excitones, o excitaciones ópticas, de formas inesperadas dentro de las dimensiones confinadas de estos cristales ultrafinos. Descubrieron cómo esta difusión cambia la banda prohibida óptica hacia el extremo rojo del espectro de luz para isótopos más pesados.
Allá “banda prohibida óptica» se refiere a la cantidad mínima de energía requerida para que un material absorba o emita luz. Al ajustar la banda prohibida, los investigadores pueden hacer que los semiconductores absorban o emitan diferentes colores de luz, y esta capacidad de sintonización es esencial para diseñar nuevos dispositivos.
Síntesis de cristales 2D con dos isótopos del mismo elemento
Alex Puretzky, de ORNL, describió cómo diferentes cristales que crecen sobre un sustrato pueden exhibir pequeños cambios en el color emitido, causados por estrés regional en el sustrato. Para probar el efecto isotópico anómalo y medir su magnitud para compararlo con las predicciones teóricas, Yu cultivó cristales de disulfuro de molibdeno con dos isótopos de molibdeno en un solo cristal.
“Nuestro trabajo no tuvo precedentes ya que sintetizamos un material 2D con dos isótopos del mismo elemento pero con masas diferentes, y unimos los isótopos lateralmente de manera controlada y gradual en un único cristal de una sola capa.“, añadió Kai Xiao. “Esto nos permitió observar el efecto isotópico anómalo intrínseco en las propiedades ópticas del material 2D sin la interferencia causada por una muestra no homogénea.»
Perspectivas de nuevas aplicaciones gracias a la ingeniería isotópica
El estudio demostró que incluso un pequeño cambio en la masa isotópica en materiales semiconductores 2D atómicamente delgados puede influir en las propiedades ópticas y electrónicas, un hallazgo que proporciona una base importante para futuras investigaciones.
Kai Xiao explica: “Anteriormente, se pensaba que para fabricar dispositivos como fotovoltaicos y fotodetectores era necesario combinar dos materiales semiconductores diferentes para crear uniones para atrapar excitones y separar sus cargas. Pero en realidad, podemos usar el mismo material y simplemente cambiar sus isótopos para crear uniones isotópicas para atrapar los excitones. Esta investigación también nos dice que mediante la ingeniería isotópica podemos ajustar propiedades ópticas y electrónicas para diseñar nuevas aplicaciones.»
Leyenda de la ilustración: Es sorprendente observar que cambiar las masas isotópicas de molibdeno en una sola capa de disulfuro de molibdeno semiconductor cambia el color de la luz emitida cuando se ilumina la capa. El estudio reveló el potencial de la ingeniería isotópica para diseñar nuevas tecnologías en materiales 2D. Crédito: Chris Rouleau/ORNL, Departamento de EE.UU. de energía
Artículo: “Efecto isotópico anómalo en la banda prohibida óptica en un semiconductor monocapa de dicalcogenuro de metal de transición” – DOi: 10.1126/sciadv.adj0758
