p Em comparação com materiais a granel, materiais atomicamente finos, como dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), oferecem vantagens de tamanho e capacidade de ajuste em relação aos materiais tradicionais no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e ópticos em miniatura. Os TMDs bidimensionais são de particular interesse porque têm aplicações potenciais na conversão de energia, eletrônica e computação quântica. As propriedades desses materiais podem ser ajustadas por forças externas, como aplicação de tensão de tração ou campos elétricos, mas até recentemente, ninguém havia identificado um meio de ajustar intrinsecamente esses materiais para obter propriedades fotoluminescentes ou optoeletrônicas ideais. p Para afinar o material sem a necessidade de forças externas, os pesquisadores de Los Alamos e seus colaboradores externos, em vez disso, procuraram controlar as proporções dos isótopos dentro dos TMDs. Este tipo de manipulação delicada foi recentemente facilitado usando a espectrometria de retroespalhamento Rutherford graças a melhorias no acelerador tandem do Laboratório de Materiais de Feixe de Íons, que foi atualizado no ano passado para um ajuste de energia mais preciso, melhor controle de estabilidade do feixe e maior confiabilidade nas operações gerais. Os novos recursos permitiram que a equipe fizesse medições precisas das razões atômicas em suas amostras e caracterizasse os materiais de alta qualidade essenciais para testar o efeito da concentração isotópica no comportamento do material.

p Pela primeira vez, esta equipe conseguiu cultivar um material TMD isotopicamente puro e altamente uniforme com apenas seis átomos de espessura. Eles compararam isso a um filme idêntico de TMD naturalmente abundante, que tem vários isótopos diferentes dentro do material. Junto com a caracterização da estrutura de banda eletrônica e espectros vibracionais, a equipe encontrou um efeito surpreendentemente grande na emissão de luz que o atual estado da teoria não poderia explicar.

p Como diferentes isótopos de um elemento têm o mesmo número de partículas carregadas (elétrons e prótons), variações isotópicas na massa atômica são devidas a partículas não carregadas (nêutrons) e, portanto, não se espera que tenham um efeito na estrutura da banda eletrônica ou na emissão óptica. Na verdade, esta suposição é tão comum que os teóricos geralmente não consideram a composição isotópica ao modelar essas propriedades. Neste trabalho apresentado em Nano Letras , a equipe descobriu que a composição isotópica teve um efeito surpreendente de desvio para o azul nos espectros de emissão de luz. Para investigar isso, eles realizaram estudos adicionais e propuseram um modelo para o efeito. Eles propõem que o efeito da purificação isotópica na massa atômica leva a uma diminuição nas energias dos fônons e, finalmente, a uma diferença na energia de renormalização do band gap eletrônico, causando o deslocamento óptico.

p Para experiências futuras, o grupo planeja usar mais recursos IBML. Além de análise de alta precisão e capacidade de implantação no acelerador tandem atualizado, IBML também hospeda dois implantadores de íons de baixa energia que podem dopar quimicamente e / ou introduzir defeitos "desejados" na amostra isotopicamente pura. Eles levantam a hipótese de que a criação de defeitos isotópicos na estrutura terá efeitos pronunciados nas propriedades ópticas e térmicas do material.

p O trabalho foi financiado por um prêmio CAREER da National Science Foundation concedido a Pettes. A caracterização de filme fino de precisão foi habilitada pelo Ion Beam Materials Laboratory, operou como parte do grupo Ciência de Materiais em Extremos de Radiação e Dinâmica na Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais. O IBML é classificado como um recurso de usuário DOE por meio do Centro de Nanotecnologias Integradas (CINT), um centro de pesquisa em nanociências do DOE operado em conjunto pelos laboratórios nacionais de Los Alamos e Sandia. As atualizações para o acelerador tandem foram financiadas pela Diretoria Associada Principal para a Ciência, Fundo de investimento de capital em Tecnologia e Engenharia e fundo de desenvolvimento de capacidades CINT.

p O trabalho apoia as áreas de missão de Segurança Energética e ciência fundamental do Laboratório e seu pilar de ciência Materiais para o Futuro, identificando as propriedades dos materiais que melhoram o desempenho na conversão de energia e permitem o desenvolvimento de novos dispositivos.