Surpreendentemente, descobriu-se que a alteração das massas isotópicas de molibdênio em uma única camada de dissulfeto de molibdênio semicondutor mudava a cor da luz emitida quando a camada era iluminada. O estudo revelou o potencial da engenharia isotópica para projetar novas tecnologias em materiais 2D. Crédito: Chris Rouleau/ORNL, Departamento de Energia dos EUA
Novas pesquisas demonstraram que pequenas mudanças no conteúdo isotópico de materiais semicondutores finos podem influenciar suas propriedades ópticas e eletrônicas, possivelmente abrindo caminho para projetos novos e avançados com o semicondutores. A pesquisa foi liderada por cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia.
Avanços na pesquisa de semicondutores
Em parte por causa dos semicondutores, os dispositivos e sistemas eletrônicos se tornam mais avançados e sofisticados a cada dia. É por isso que durante décadas os pesquisadores estudaram maneiras de melhorar os compostos semicondutores para influenciar a forma como eles transportam a corrente elétrica. Uma abordagem é usar isótopos para alterar as propriedades físicas, químicas e tecnológicas dos materiais.
Isótopos são membros de uma família de um elemento que possui todos o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons e, portanto, diferentes massas. A engenharia isotópica tem tradicionalmente se concentrado no aprimoramento dos chamados materiais a granel que possuem propriedades uniformes em três dimensões, ou 3D. Mas uma nova pesquisa liderada pelo ORNL avançou a fronteira da engenharia isotópica onde a corrente é confinada em duas dimensões, ou 2D, dentro de cristais planos e onde uma camada tem apenas alguns átomos de espessura. Os materiais 2D são promissores porque sua natureza ultrafina poderia permitir um controle preciso sobre suas propriedades eletrônicas.
Descobrindo novas propriedades optoeletrônicas
“Observamos um efeito isótopo surpreendente nas propriedades optoeletrônicas de uma única camada de dissulfeto de molibdênio quando substituímos um isótopo mais pesado de molibdênio no cristal, um efeito que abre oportunidades para projetar dispositivos optoeletrônicos 2D para microeletrônica, células solares, fotodetectores e até mesmo tecnologias de computação de próxima geração”, disse o cientista do ORNL Kai Xiao.
Yiling Yu, membro da equipe de pesquisa de Xiao, cultivou cristais 2D isotopicamente puros de dissulfeto de molibdênio atomicamente fino usando átomos de molibdênio de diferentes massas. Yu notou pequenas mudanças na cor da luz emitida pelos cristais sob fotoexcitação ou estimulação pela luz.
“Inesperadamente, a luz do dissulfeto de molibdênio com os átomos de molibdênio mais pesados foi desviada ainda mais para a extremidade vermelha do espectro, o que é oposto ao deslocamento que se esperaria para materiais a granel”, disse Xiao. O desvio para o vermelho indica uma mudança na estrutura eletrônica ou nas propriedades ópticas do material.
Xiao e a equipe, trabalhando com os teóricos Volodymyr Turkowski e Talat Rahman da Universidade da Flórida Central, sabiam que os fônons, ou vibrações cristalinas, deviam estar espalhando os excitons, ou excitações ópticas, de maneiras inesperadas nas dimensões confinadas desses cristais ultrafinos. . Eles descobriram como esse espalhamento muda o bandgap óptico para a extremidade vermelha do espectro de luz para isótopos mais pesados. “Banda proibida óptica” refere-se à quantidade mínima de energia necessária para fazer um material absorver ou emitir luz. Ao ajustar o bandgap, os pesquisadores podem fazer com que os semicondutores absorvam ou emitam diferentes cores de luz, e essa sintonia é essencial para projetar novos dispositivos.
Alex Puretzky do ORNL descreveu como diferentes cristais cultivados em um substrato podem mostrar pequenas mudanças na cor emitida causadas por deformação regional no substrato. Para provar o efeito do isótopo anômalo e medir sua magnitude para comparar com as previsões teóricas, Yu cultivou cristais de dissulfeto de molibdênio com dois isótopos de molibdênio em um cristal.
“Nosso trabalho foi inédito, pois sintetizamos um material 2D com dois isótopos do mesmo elemento, mas com massas diferentes, e juntamos os isótopos lateralmente de forma controlada e gradual em um único cristal de monocamada”, disse Xiao. “Isso nos permitiu observar o efeito isotópico anômalo intrínseco nas propriedades ópticas do material 2D sem a interferência causada por uma amostra não homogênea.”
Implicações para futuros projetos de semicondutores
O estudo demonstrou que mesmo uma pequena mudança nas massas dos isótopos nos materiais semicondutores 2D atomicamente finos pode influenciar as propriedades ópticas e eletrônicas – uma descoberta que fornece uma base importante para pesquisas contínuas.
“Anteriormente, acreditava-se que para fabricar dispositivos como fotovoltaicos e fotodetectores, tínhamos que combinar dois materiais semicondutores diferentes para fazer junções que capturassem excitons e separassem suas cargas. Mas, na verdade, podemos usar o mesmo material e apenas alterar seus isótopos para criar junções isotópicas para capturar os excitons”, disse Xiao. “Esta pesquisa também nos diz que, através da engenharia isotópica, podemos ajustar as propriedades ópticas e eletrônicas para projetar novas aplicações.”
Para experimentos futuros, Xiao e a equipe planejam colaborar com os especialistas do Reator Isótopo de Alto Fluxo e da Diretoria de Ciência e Engenharia de Isótopos do ORNL. Essas instalações podem fornecer vários precursores de isótopos altamente enriquecidos para cultivar diferentes materiais 2D isotopicamente puros. A equipe pode então investigar mais detalhadamente o efeito do isótopo nas propriedades do spin para sua aplicação na eletrônica do spin e na emissão quântica.
O artigo que descreve a pesquisa foi publicado em Avanços da Ciência.
Referência: “Efeito isotópico anômalo no bandgap óptico em um semicondutor de dichalcogeneto de metal de transição monocamada” por Yiling Yu, Volodymyr Turkowski, Jordan A. Hachtel, Alexander A. Puretzky, Anton V. Ievlev, Naseem U. Din, Sumner B. Harris, Vasudevan Iyer, Christopher M. Rouleau, Talat S. Rahman, David B. Geohegan e Kai Xiao, 21 de fevereiro de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adj0758
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência, Ciências Básicas de Energia, Ciências de Materiais e Divisão de Engenharia do DOE e foi realizado no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos, ou CNMS, no ORNL, uma instalação de usuário do Escritório de Ciência. O CNMS apoiou as medições TOF-SIMS, STEM e espectroscopia óptica.
