调整同位素揭示了设计半导体的有前景的方法

能源部橡树岭国家实验室科学家领导的研究表明，薄半导体材料同位素含量的微小变化会影响其光学和电子性能，可能为半导体的新的先进设计开辟道路

这项研究发表在《科学进展》杂志上

部分由于半导体，电子设备和系统每天都变得更加先进和复杂。这就是为什么几十年来，研究人员一直在研究改进半导体化合物的方法，以影响它们的载流方式。一种方法是使用同位素来改变材料的物理、化学和技术特性

同位素是一个元素家族的成员，所有元素都有相同数量的质子，但有不同数量的中子，因此质量不同。同位素工程传统上专注于增强在三维或3D中具有均匀特性的所谓大块材料

但ORNL领导的新研究推进了同位素工程的前沿，在同位素工程中，电流被限制在二维或2D平面晶体内部，并且一层只有几个原子厚。2D材料很有前途，因为它们的超薄特性可以精确控制它们的电子性质

ORNL科学家Kai Xiao说：“当我们取代晶体中较重的钼同位素时，我们在单层二硫化钼的光电特性中观察到了一种令人惊讶的同位素效应，这种效应为微电子、太阳能电池、光电探测器甚至下一代计算技术的二维光电器件的设计开辟了机会。”

Xiao的研究团队成员Yiling Yu使用不同质量的钼原子生长了同位素纯的原子薄二硫化钼2D晶体。余注意到晶体在光激发或光刺激下发出的光的颜色发生了微小的变化

肖说：“出乎意料的是，来自钼原子较重的二硫化钼的光被进一步转移到光谱的红端，这与人们对大块材料的预期相反。”。红移表示材料的电子结构或光学性质的变化

Xiao和他的团队与中佛罗里达大学的理论家Volodymyr Turkowski和Talat Rahman合作，知道声子或晶体振动一定以意想不到的方式在这些超薄晶体的有限尺寸中散射激子或光学激发

他们发现了这种散射是如何将较重同位素的光学带隙转移到光谱的红端的。“光学带隙”是指使材料吸收或发射光所需的最小能量

通过调整带隙，研究人员可以使半导体吸收或发射不同颜色的光，这种可调谐性对于设计新器件至关重要

ORNL的Alex Puretzky描述了在衬底上生长的不同晶体如何显示出由衬底中的区域应变引起的发射颜色的微小变化。为了证明异常同位素效应并测量其大小以与理论预测相比较，余在一个晶体中生长了两种钼同位素的二硫化钼晶体

肖说：“我们的工作是前所未有的，我们合成了一种2D材料，其中含有两种相同元素但质量不同的同位素，并以可控和渐进的方式将同位素横向连接成单层晶体。”

“这使我们能够在不受不均匀样品干扰的情况下观察到2D材料光学性质的固有异常同位素效应。”

研究表明，即使原子薄的2D半导体材料中同位素质量的微小变化也会影响光学和电子性质&mdash；这一发现为继续研究提供了重要基础

肖说：“以前，人们认为，要制造光伏和光电探测器等器件，我们必须将两种不同的半导体材料结合起来，形成结，以捕获激子并分离其电荷。但实际上，我们可以使用相同的材料，只需改变其同位素，就可以创建同位素结来捕获激子。”

“这项研究还告诉我们，通过同位素工程，我们可以调整光学和电子特性，以设计新的应用。”

对于未来的实验，肖和团队计划与高通量同位素反应堆和ORNL同位素科学与工程理事会的专家合作。这些设施可以提供各种高富集同位素前体，以生长不同的同位素纯2D材料

然后，该团队可以进一步研究同位素对自旋特性的影响，用于自旋电子学和量子发射