El trabajo está publicado en la revista Science Advances .

En parte debido a los semiconductores, los dispositivos y sistemas electrónicos se vuelven cada día más avanzados y sofisticados. Es por eso que durante décadas los investigadores han estudiado formas de mejorar los compuestos semiconductores para influir en la forma en que transportan la corriente eléctrica. Un enfoque consiste en utilizar isótopos para cambiar 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 diferente número de neutrones y, por tanto, diferentes masas. La ingeniería isotópica se ha centrado tradicionalmente en mejorar los llamados materiales a granel que tienen propiedades uniformes en tres dimensiones o 3D.

Pero una nueva investigación dirigida por ORNL ha avanzado la frontera de la ingeniería isotópica donde la corriente está confinada en dos dimensiones, o 2D, dentro de cristales planos y donde una capa tiene sólo unos pocos átomos de espesor. Los materiales 2D son prometedores porque su naturaleza ultrafina podría permitir un control preciso sobre sus propiedades electrónicas.

"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 próximos tecnologías informáticas de última generación", afirmó el científico del ORNL Kai Xiao.

Yiling Yu, miembro del equipo de investigación de 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 o estimulación por luz.

"Inesperadamente, la luz del disulfuro de molibdeno con los átomos de molibdeno más pesados ​​se desplazó más hacia el extremo rojo del espectro, lo que es opuesto al cambio que uno esperaría de los materiales a granel", dijo Xiao. El desplazamiento hacia el rojo indica un cambio en la estructura electrónica o las propiedades ópticas del material.

Xiao y el 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, debían estar dispersando los excitones, o excitaciones ópticas, de formas inesperadas en las dimensiones confinadas de estos cristales ultrafinos. .

Descubrieron cómo esta dispersión desplaza la banda prohibida óptica hacia el extremo rojo del espectro de luz para los isótopos más pesados. La "banda prohibida óptica" se refiere a la cantidad mínima de energía necesaria 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 dicha capacidad de sintonización es esencial para diseñar nuevos dispositivos.

Alex Puretzky, de ORNL, describió cómo diferentes cristales cultivados sobre un sustrato pueden mostrar pequeños cambios en el color emitido causados ​​por la tensión regional en el sustrato. Para probar el efecto isotópico anómalo y medir su magnitud para compararla con las predicciones teóricas, Yu cultivó cristales de disulfuro de molibdeno con dos isótopos de molibdeno en un cristal.

"Nuestro trabajo no tuvo precedentes, ya que sintetizamos un material 2D con dos isótopos del mismo elemento pero con diferentes masas, y unimos los isótopos lateralmente de manera controlada y gradual en un único cristal monocapa", dijo 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".

El estudio demostró que incluso un pequeño cambio en las masas de isótopos en los materiales semiconductores 2D atómicamente delgados puede influir en las propiedades ópticas y electrónicas, un hallazgo que proporciona una base importante para la investigación continua.

"Anteriormente, se creía que para fabricar dispositivos como fotovoltaicos y fotodetectores, teníamos que combinar dos materiales semiconductores diferentes para hacer uniones para atrapar excitones y separar sus cargas. Pero en realidad, podemos usar el mismo material y simplemente cambiar sus isótopos a crear uniones isotópicas para atrapar los excitones", dijo Xiao.

"Esta investigación también nos dice que a través de la ingeniería isotópica podemos ajustar las propiedades ópticas y electrónicas para diseñar nuevas aplicaciones".

Para futuros experimentos, Xiao y el equipo planean colaborar con los expertos del Reactor de Isótopos de Alto Flujo y la Dirección de Ingeniería y Ciencia de Isótopos del ORNL. Estas instalaciones pueden proporcionar varios precursores de isótopos altamente enriquecidos para cultivar diferentes materiales 2D isotópicamente puros.

Luego, el equipo podrá investigar más a fondo el efecto isotópico sobre las propiedades del espín para su aplicación en la electrónica del espín y la emisión cuántica.