שינויים קטנים, השפעות גדולות: איזוטופים משנים את הנדסת מוליכים למחצה דו-ממדיים

מחקר חדש הוכיח ששינויים קטנים בתוכן האיזוטופי של חומרים מוליכים למחצה דקים יכולים להשפיע על התכונות האופטיות והאלקטרוניות שלהם, ואולי לפתוח את הדרך לעיצובים חדשים ומתקדמים עם מוליכים למחצה. את המחקר הובילו מדענים מהמעבדה הלאומית של אוק רידג' של משרד האנרגיה.

התקדמות במחקר מוליכים למחצה

בין השאר בגלל מוליכים למחצה, מכשירים אלקטרוניים ומערכות הופכים למתקדמים ומתוחכמים יותר מדי יום. זו הסיבה שבמשך עשרות שנים חוקרים חקרו דרכים לשיפור תרכובות מוליכים למחצה כדי להשפיע על האופן שבו הם נושאים זרם חשמלי. גישה אחת היא להשתמש באיזוטופים כדי לשנות את התכונות הפיזיקליות, הכימיות והטכנולוגיות של חומרים.

איזוטופים הם בני משפחה של יסוד שלכולם יש אותו מספר פרוטונים אך מספר שונה של נויטרונים ולכן מסות שונות. הנדסת איזוטופים התמקדה באופן מסורתי בשיפור מה שנקרא חומרים בתפזורת בעלי תכונות אחידות בתלת מימד, או תלת מימד. אבל מחקר חדש בראשות ORNL קידם את גבול הנדסת האיזוטופים שבו הזרם מוגבל בדו מימד, או דו-ממדי, בתוך גבישים שטוחים ושכבה בעובי של כמה אטומים בלבד. החומרים הדו-ממדיים מבטיחים מכיוון שטבעם הדק במיוחד יכול לאפשר שליטה מדויקת על התכונות האלקטרוניות שלהם.

גילוי מאפיינים אופטואלקטרוניים חדשים

"ראינו אפקט איזוטופ מפתיע בתכונות האופטואלקטרוניות של שכבה אחת של מוליבדן דיסולפיד כשהחלפנו איזוטופ כבד יותר של מוליבדן בגביש, אפקט שפותח הזדמנויות להנדס מכשירים אופטו-אלקטרוניים דו-ממדיים למיקרו-אלקטרוניקה, תאים סולאריים, גלאי פוטו, ואפילו טכנולוגיות מחשוב מהדור הבא", אמר מדען ORNL קאי שיאו.

Yiling Yu, חבר בצוות המחקר של Xiao, גידל גבישים דו-ממדיים טהורים איזוטופיים של מוליבדן דיסולפיד דק אטומי באמצעות אטומי מוליבדן בעלי מסות שונות. יו הבחין בשינויים קטנים בצבע האור הנפלט מהגבישים תחת עירור פוטו, או גירוי על ידי אור.

"באופן בלתי צפוי, האור מהמוליבדן דיסולפיד עם אטומי המוליבדן הכבדים יותר הוסט רחוק יותר לקצה האדום של הספקטרום, שהוא מנוגד לשינוי שניתן לצפות לחומרים בתפזורת", אמר שיאו. ההסטה האדומה מעידה על שינוי במבנה האלקטרוני או בתכונות האופטיות של החומר.

שיאו והצוות, שעבדו עם התיאורטיקנים וולודימיר טורקובסקי וטלאט רחמן מאוניברסיטת מרכז פלורידה, ידעו שהפונונים, או תנודות הגביש, חייבים לפזר את האקסיטונים, או העירורים האופטיים, בדרכים בלתי צפויות בממדים המצומצמים של גבישים אולטרה-דקים אלה. . הם גילו כיצד הפיזור הזה מעביר את הפער האופטי לקצה האדום של ספקטרום האור עבור איזוטופים כבדים יותר. "פער פס אופטי" מתייחס לכמות האנרגיה המינימלית הדרושה כדי לגרום לחומר לספוג או לפלוט אור. על ידי התאמת פער הפס, החוקרים יכולים לגרום למוליכים למחצה לספוג או לפלוט צבעים שונים של אור, ויכולת כוונון כזו חיונית לתכנון מכשירים חדשים.

אלכס פורצקי של ORNL תיאר כיצד גבישים שונים הגדלים על מצע יכולים להראות שינויים קטנים בצבע הנפלט הנגרמות על ידי מתח אזורי במצע. כדי להוכיח את אפקט האיזוטופים החריגים ולמדוד את גודלו כדי להשוות לתחזיות תיאורטיות, יו גידל גבישי מוליבדן דיסולפיד עם שני איזוטופים מוליבדן בגביש אחד.

"העבודה שלנו הייתה חסרת תקדים בכך שסנתזנו חומר דו-ממדי עם שני איזוטופים של אותו יסוד אבל עם מסות שונות, וחיברנו את האיזוטופים לרוחב בצורה מבוקרת והדרגתית בגביש חד-שכבתי אחד", אמר שיאו. "זה איפשר לנו לצפות בהשפעת האיזוטופ האנומלי המהותי על המאפיינים האופטיים בחומר הדו-ממדי ללא הפרעות שנגרמו מדגימה לא הומוגנית."

השלכות על עיצובים עתידיים של מוליכים למחצה

המחקר הוכיח שאפילו שינוי קטן של מסות איזוטופים בחומרי מוליכים למחצה הדו-ממדיים הדקים מבחינה אטומית יכול להשפיע על תכונות אופטיות ואלקטרוניות – ממצא המספק בסיס חשוב להמשך מחקר.

"בעבר, האמונה הייתה שכדי לייצר מכשירים כמו פוטו וולטאים, היינו צריכים לשלב שני חומרים מוליכים למחצה שונים כדי ליצור צמתים כדי ללכוד אקסיטונים ולהפריד את המטענים שלהם. אבל למעשה, אנחנו יכולים להשתמש באותו חומר ופשוט לשנות את האיזוטופים שלו כדי ליצור צמתים איזוטופים כדי ללכוד את האקסיטונים", אמר שיאו. "המחקר הזה גם אומר לנו שבאמצעות הנדסת איזוטופים, אנחנו יכולים לכוון את המאפיינים האופטיים והאלקטרונים לתכנון יישומים חדשים."

לניסויים עתידיים, Xiao והצוות מתכננים לשתף פעולה עם המומחים בכור האיזוטופים הגבוהים והמנהלת למדע והנדסה של איזוטופים ב-ORNL. מתקנים אלה יכולים לספק מבשרי איזוטופים מועשרים מאוד לגידול חומרים דו-ממדיים שונים טהורים איזוטופיים. לאחר מכן, הצוות יכול לחקור את השפעת האיזוטופים על מאפייני הספין עבור היישום שלהם באלקטרוניקה ספין ופליטת קוונטים.

המאמר המתאר את המחקר פורסם ב התקדמות המדע.

עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע של DOE, מדעי האנרגיה הבסיסיים, מדעי החומרים וההנדסה ובוצעה במרכז למדעי החומרים הננו-פאזיים, או CNMS, ב-ORNL, מתקן משתמש של משרד המדע. ה-CNMS תמך במדידות TOF-SIMS, STEM וספקטרוסקופיה אופטית.