En comparación con los materiales a granel, Los materiales atómicamente delgados como los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) ofrecen ventajas de tamaño y capacidad de ajuste sobre los materiales tradicionales en el desarrollo de dispositivos electrónicos y ópticos en miniatura. Los TMD bidimensionales son de particular interés porque tienen aplicaciones potenciales en la conversión de energía, electrónica y computación cuántica. Las propiedades de estos materiales pueden ajustarse mediante fuerzas externas como la aplicación de tensión de tracción o campos eléctricos, pero hasta hace poco nadie había identificado un medio de ajustar intrínsecamente estos materiales para obtener propiedades óptimas fotoluminiscentes u optoelectrónicas.

Para afinar el material sin necesidad de fuerzas externas, En cambio, los investigadores de Los Alamos y sus colaboradores externos buscaron controlar las proporciones de isótopos dentro de los TMD. Este tipo de manipulación delicada se ha facilitado recientemente utilizando la espectrometría de retrodispersión de Rutherford gracias a las mejoras en el acelerador en tándem del Laboratorio de Materiales Ion Beam. que se actualizó el año pasado para un ajuste de energía más preciso, mejor control de la estabilidad del haz y mayor confiabilidad en las operaciones generales. Las nuevas capacidades permitieron al equipo tomar medidas precisas de las proporciones atómicas en sus muestras y caracterizar los materiales de alta calidad que eran esenciales para probar el efecto de la concentración isotópica en el comportamiento de los materiales.

Por primera vez, este equipo fue capaz de cultivar un material TMD isotópicamente puro y altamente uniforme de solo seis átomos de espesor. Compararon esto con una película idéntica de TMD naturalmente abundante, que tiene varios isótopos diferentes dentro del material. Junto con la caracterización de la estructura de la banda electrónica y los espectros vibracionales, el equipo encontró un efecto sorprendentemente grande en la emisión de luz que el estado actual de la teoría no pudo explicar.

Debido a que los diferentes isótopos de un elemento tienen el mismo número de partículas cargadas (electrones y protones), Las variaciones isotópicas en la masa atómica se deben a partículas sin carga (neutrones) y, por lo tanto, no se espera que tengan un efecto sobre la estructura de la banda electrónica o la emisión óptica. De hecho, esta suposición es tan común que los teóricos no suelen considerar la composición isotópica al modelar estas propiedades. En este trabajo presentado en Nano letras , el equipo descubrió que la composición isotópica tenía un sorprendente efecto de desplazamiento hacia el azul en los espectros de emisión de luz. Para investigar esto, realizaron estudios adicionales y propusieron un modelo para el efecto. Proponen que el efecto de la purificación isotópica sobre la masa atómica conduce a una disminución de las energías de los fonones y, en última instancia, a una diferencia en la energía de renormalización de la banda prohibida electrónica. causando el desplazamiento óptico.

Para experimentos futuros, el grupo planea seguir utilizando los recursos de IBML. Además de la capacidad de implantación y análisis de alta precisión en el acelerador en tándem mejorado, IBML también alberga dos implantadores de iones de baja energía que pueden dopar químicamente y / o introducir defectos "deseados" en la muestra isotópicamente pura. Ellos plantean la hipótesis de que la creación de defectos isotópicos en la estructura tendrá efectos pronunciados sobre las propiedades ópticas y térmicas del material.

El trabajo fue financiado por un premio CAREER de la National Science Foundation otorgado a Pettes. La caracterización de película fina de precisión fue posible gracias al Laboratorio de Materiales Ion Beam, operado como parte del grupo Ciencia de Materiales en Radiación y Extremos Dinámicos en la División de Ciencia y Tecnología de Materiales. El IBML está clasificado como un recurso de usuario del DOE a través del Centro de Nanotecnologías Integradas (CINT), un centro de investigación de nanociencia del DOE operado conjuntamente por los laboratorios nacionales de Los Alamos y Sandia. Las actualizaciones del acelerador en tándem fueron financiadas por la Dirección Asociada Principal de Ciencias, Fondo de inversión de capital de tecnología e ingeniería y fondo de desarrollo de capacidades CINT.

El trabajo respalda las áreas de misión de ciencia fundamental y seguridad energética del laboratorio y su pilar científico Materiales para el futuro al identificar las propiedades de los materiales que mejoran el rendimiento en la conversión de energía y permiten el desarrollo de dispositivos novedosos.