Les travaux sont publiés dans la revue Science Advances .

En partie grâce aux semi-conducteurs, les appareils et systèmes électroniques deviennent chaque jour plus avancés et sophistiqués. C'est pourquoi, depuis des décennies, les chercheurs étudient les moyens d'améliorer les composés semi-conducteurs afin d'influencer la façon dont ils transportent le courant électrique. Une approche consiste à utiliser les isotopes pour modifier les propriétés physiques, chimiques et technologiques des matériaux.

Les isotopes font partie d'une famille d'éléments qui ont tous le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons et donc des masses différentes. L'ingénierie isotopique s'est traditionnellement concentrée sur l'amélioration des matériaux dits en vrac qui ont des propriétés uniformes en trois dimensions, ou 3D.

Mais de nouvelles recherches menées par l’ORNL ont repoussé les frontières de l’ingénierie isotopique, où le courant est confiné en deux dimensions, ou 2D, à l’intérieur de cristaux plats et où une couche n’a que quelques atomes d’épaisseur. Les matériaux 2D sont prometteurs car leur nature ultra-mince pourrait permettre un contrôle précis de leurs propriétés électroniques.

"Nous avons observé un effet isotopique surprenant dans les propriétés optoélectroniques d'une seule couche de bisulfure de molybdène lorsque nous avons remplacé un isotope plus lourd du molybdène dans le cristal, un effet qui ouvre la voie à la conception de dispositifs optoélectroniques 2D pour la microélectronique, les cellules solaires, les photodétecteurs et même ensuite. technologies informatiques de dernière génération", a déclaré Kai Xiao, scientifique de l'ORNL.

Yiling Yu, membre de l'équipe de recherche de Xiao, a développé des cristaux 2D isotopiquement purs de bisulfure de molybdène atomiquement mince en utilisant des atomes de molybdène de différentes masses. Yu a remarqué de petits changements dans la couleur de la lumière émise par les cristaux sous photoexcitation ou stimulation par la lumière.

"De manière inattendue, la lumière du bisulfure de molybdène contenant les atomes de molybdène les plus lourds a été déplacée plus loin vers l'extrémité rouge du spectre, ce qui est opposé au déplacement auquel on pourrait s'attendre pour les matériaux en vrac", a déclaré Xiao. Le décalage vers le rouge indique un changement dans la structure électronique ou les propriétés optiques du matériau.

Xiao et son équipe, travaillant avec les théoriciens Volodymyr Turkowski et Talat Rahman de l'Université de Floride centrale, savaient que les phonons, ou vibrations cristallines, devaient diffuser les excitons, ou excitations optiques, de manière inattendue dans les dimensions confinées de ces cristaux ultra-minces. .

Ils ont découvert comment cette diffusion déplace la bande interdite optique vers l’extrémité rouge du spectre lumineux pour les isotopes plus lourds. La « bande interdite optique » fait référence à la quantité minimale d'énergie nécessaire pour qu'un matériau absorbe ou émette de la lumière.

En ajustant la bande interdite, les chercheurs peuvent faire en sorte que les semi-conducteurs absorbent ou émettent différentes couleurs de lumière, et une telle adaptabilité est essentielle pour concevoir de nouveaux dispositifs.

Alex Puretzky de l'ORNL a décrit comment différents cristaux cultivés sur un substrat peuvent présenter de petits changements dans la couleur émise causés par la contrainte régionale dans le substrat. Pour prouver l'effet isotopique anormal et mesurer son ampleur afin de le comparer aux prédictions théoriques, Yu a fait croître des cristaux de bisulfure de molybdène avec deux isotopes de molybdène dans un seul cristal.

"Notre travail était sans précédent dans la mesure où nous avons synthétisé un matériau 2D avec deux isotopes du même élément mais avec des masses différentes, et nous avons joint les isotopes latéralement de manière contrôlée et progressive dans un seul cristal monocouche", a déclaré Xiao.

"Cela nous a permis d'observer l'effet isotopique anormal intrinsèque sur les propriétés optiques du matériau 2D sans l'interférence provoquée par un échantillon inhomogène."

L'étude a démontré que même un petit changement dans les masses isotopiques dans les matériaux semi-conducteurs 2D atomiquement minces peut influencer les propriétés optiques et électroniques, une découverte qui constitue une base importante pour la poursuite des recherches.

"Auparavant, on pensait que pour fabriquer des dispositifs tels que des appareils photovoltaïques et des photodétecteurs, nous devions combiner deux matériaux semi-conducteurs différents pour réaliser des jonctions afin de piéger les excitons et de séparer leurs charges. Mais en réalité, nous pouvons utiliser le même matériau et simplement modifier ses isotopes en créer des jonctions isotopiques pour piéger les excitons", a déclaré Xiao.

"Cette recherche nous apprend également que grâce à l'ingénierie isotopique, nous pouvons ajuster les propriétés optiques et électroniques pour concevoir de nouvelles applications."

Pour les expériences futures, Xiao et l'équipe prévoient de collaborer avec les experts du réacteur isotopique à haut flux et de la direction de la science et de l'ingénierie des isotopes de l'ORNL. Ces installations peuvent fournir divers précurseurs isotopiques hautement enrichis pour développer différents matériaux 2D isotopiquement purs.

L'équipe pourra ensuite étudier plus en détail l'effet isotopique sur les propriétés de spin pour leur application en électronique de spin et en émission quantique.