Yeni araştırmalar, ince yarı iletken malzemelerin izotop içeriğindeki küçük değişikliklerin optik ve elektronik özelliklerini etkileyebileceğini ve muhtemelen yeni ve gelişmiş tasarımlara yol açabileceğini göstermiştir. yarı iletkenler. Araştırma, Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları tarafından yürütüldü.
Yarıiletken Araştırmalarındaki Gelişmeler
Kısmen yarı iletkenler sayesinde elektronik cihazlar ve sistemler her geçen gün daha gelişmiş ve karmaşık hale geliyor. Bu nedenle onlarca yıldır araştırmacılar, yarı iletken bileşiklerin elektrik akımını taşıma şeklini etkileyecek şekilde iyileştirmenin yollarını araştırıyorlar.
İzotoplar, hepsi aynı sayıda protona ancak farklı sayıda nötronlara ve dolayısıyla farklı kütlelere sahip olan bir element ailesinin üyeleridir. İzotop mühendisliği geleneksel olarak üç boyutlu veya 3 boyutlu olarak tekdüze özelliklere sahip sözde toplu malzemeleri geliştirmeye odaklanmıştır.
Ancak ORNL liderliğindeki yeni araştırma, akımın düz kristallerin içinde iki boyutta veya 2 boyutlu olarak sınırlandırıldığı ve katmanın yalnızca birkaç atom kalınlığında olduğu izotop mühendisliğinin sınırlarını geliştirdi. 2D malzemeler umut verici çünkü ultra ince yapıları elektronik özellikleri üzerinde hassas kontrole izin verebilir.
Yeni Optoelektronik Özelliklerin Keşfi
“Kristalde daha ağır bir molibden izotopu ikame ettiğimizde, tek bir molibden disülfit tabakasının optoelektronik özelliklerinde şaşırtıcı bir izotop etkisi gözlemledik; bu etki, mikroelektronik, güneş pilleri, fotodetektörler ve hatta 2D optoelektronik cihazların tasarlanmasına yönelik fırsatların kapısını açıyor. ORNL bilim adamı Kai Xiao, “yeni nesil bilgi işlem teknolojileri” dedi.
Xiao’nun araştırma ekibinin bir üyesi olan Yiling Yu, farklı kütlelerdeki molibden atomlarını kullanarak atomik olarak ince molibden disülfürün izotopik olarak saf 2D kristallerini üretti. Yu, foto uyarım veya ışıkla uyarım altında kristallerin yaydığı ışığın renginde küçük değişiklikler fark etti.
Xiao, “Beklenmedik bir şekilde, daha ağır molibden atomlarına sahip molibden disülfitten gelen ışık, spektrumun kırmızı ucuna doğru kaydı; bu, toplu malzemeler için beklenebilecek değişimin tam tersidir” dedi. Kırmızıya kayma, malzemenin elektronik yapısında veya optik özelliklerinde bir değişikliği gösterir.
Central Florida Üniversitesi’nden teorisyenler Volodymyr Turkowski ve Talat Rahman ile birlikte çalışan Xiao ve ekip, fononların veya kristal titreşimlerin, bu ultra ince kristallerin sınırlı boyutlarında eksitonları veya optik uyarıları beklenmedik şekillerde dağıtması gerektiğini biliyordu.
Bu saçılmanın, daha ağır izotoplar için optik bant aralığını ışık spektrumunun kırmızı ucuna nasıl kaydırdığını keşfettiler. “Optik bant aralığı”, bir malzemenin ışığı absorbe etmesi veya yayması için gereken minimum enerji miktarını ifade eder. Araştırmacılar, bant aralığını ayarlayarak yarı iletkenlerin ışığın farklı renklerini absorbe etmesini veya yaymasını sağlayabilir ve bu tür bir ayarlanabilirlik, yeni cihazların tasarlanması için gereklidir.
ORNL’den Alex Puretzky, bir substrat üzerinde büyüyen farklı kristallerin, substrattaki bölgesel gerilimin neden olduğu yayılan renkteki küçük değişiklikleri nasıl gösterebileceğini anlattı. Anormal izotop etkisini kanıtlamak ve teorik tahminlerle karşılaştırmak amacıyla büyüklüğünü ölçmek için Yu, bir kristalde iki molibden izotopu içeren molibden disülfit kristalleri büyüttü.
Xiao, “Aynı elementin ancak farklı kütlelere sahip iki izotopuyla 2 boyutlu bir malzemeyi sentezlememiz ve izotopları tek katmanlı bir kristalde kontrollü ve kademeli bir şekilde yanal olarak birleştirmemiz açısından çalışmamız eşi benzeri görülmemiş bir şeydi” dedi. “Bu, homojen olmayan bir numunenin neden olduğu girişim olmadan, 2 boyutlu malzemenin optik özellikleri üzerindeki içsel anormal izotop etkisini gözlemlememizi sağladı.”
Gelecekteki Yarı İletken Tasarımlarına Yönelik Çıkarımlar
Çalışma, atomik olarak ince 2 boyutlu yarı iletken malzemelerdeki izotop kütlelerindeki küçük bir değişikliğin bile optik ve elektronik özellikleri etkileyebileceğini gösterdi; bu bulgu, devam eden araştırmalar için önemli bir temel sağlıyor.
“Daha önce, fotovoltaikler ve fotodedektörler gibi cihazlar yapmak için, eksitonları yakalayıp yüklerini ayırmak üzere bağlantılar oluşturmak amacıyla iki farklı yarı iletken malzemeyi birleştirmemiz gerektiğine inanılıyordu. Ama aslında aynı malzemeyi kullanabiliriz ve eksitonları hapsedecek izotopik bağlantılar oluşturmak için izotoplarını değiştirebiliriz” dedi Xiao. “Bu araştırma bize aynı zamanda izotop mühendisliği yoluyla optik ve elektronik özellikleri yeni uygulamalar tasarlamak için ayarlayabileceğimizi de söylüyor.”
Gelecekteki deneyler için Xiao ve ekip, ORNL’deki Yüksek Akı İzotop Reaktörü ve İzotop Bilim ve Mühendislik Müdürlüğü’ndeki uzmanlarla işbirliği yapmayı planlıyor. Bu tesisler, farklı izotopik olarak saf 2D malzemeleri yetiştirmek için yüksek derecede zenginleştirilmiş çeşitli izotop öncüleri sağlayabilir. Ekip daha sonra spin elektroniği ve kuantum emisyonu uygulamaları için spin özellikleri üzerindeki izotop etkisini daha fazla araştırabilir.
Referans: Yiling Yu, Volodymyr Turkowski, Jordan A. Hachtel, Alexander A. Puretzky, Anton V. Ievlev, Naseem U. Din, Sumner B. Harris, “Tek katmanlı bir geçiş metali dikalkogenit yarı iletkeninde optik bant aralığı üzerinde anormal izotop etkisi”, Vasudevan Iyer, Christopher M. Rouleau, Talat S. Rahman, David B. Geohegan ve Kai Xiao, 21 Şubat 2024, Bilim Gelişmeleri.
Bu çalışma, DOE’nin Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimleri, Malzeme Bilimleri ve Mühendislik Bölümü tarafından desteklendi ve bir Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan ORNL’deki Nanofaz Malzeme Bilimleri Merkezi’nde (CNMS) gerçekleştirildi. CNMS, TOF-SIMS, STEM ve optik spektroskopi ölçümlerini destekledi.
0 Yorumlar