新的研究表明，薄型半導體材料同位素含量的微小變化就能影響其光學和電子特性，從而可能為利用半導體進行新的先進設計開闢道路。這項研究由美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家領導。電子設備和系統變得越來越先進和複雜。因此，幾十年來，研究人員一直在研究如何改進半導體化合物，以影響它們的電流傳輸方式。其中一個方法是利用同位素來改變材料的物理、化學和技術特性。

研究人員發現，改變單層二硫化鉬半導體中鉬的同位素質量，可以改變該層在光照下發出的光的顏色。這項研究揭示了同位素工程設計二維材料新技術的潛力。資料來源：Chris Rouleau/ORNL，美國能源部

同位素是一種元素家族中的成員，它們的質子數相同，但中子數不同，因此品質也不同。同位素工程學傳統上著重於增強在三維（或三維）範圍內具有統一特性的所謂塊體材料。但由ORNL 領導的新研究推進了同位素工程的前沿領域，即電流被限制在平面晶體內的二維（或二維）範圍內，而且一層只有幾個原子厚。二維材料前景廣闊，因為它們的超薄特性可以實現對其電子特性的精確控制。

ORNL科學家肖凱說：”當我們在晶體中置換一種較重的鉬同位素時，我們在單層二硫化鉬的光電特性中觀察到了令人驚訝的同位素效應，這種效應為設計用於微電子、太陽能電池、光電探測器甚至下一代計算技術的二維光電器件帶來了機會。

研究小組成員於一玲利用不同質量的鉬原子，生長出了原子薄二硫化鉬的同位素純二維晶體。在光激發或光刺激下，於發現晶體發出的光的顏色發生了微小變化。

肖說：”出乎意料的是，鉬原子較重的二硫化鉬發出的光向光譜的紅色端偏移得更遠，這與人們對塊狀材料的預期偏移相反。紅色偏移表明材料的電子結構或光學特性發生了變化。

肖和研究小組與中佛羅裡達大學的理論家沃洛迪米爾-特科夫斯基（Volodymyr Turkowski）和塔拉特-拉赫曼（Talat Rahman）合作，發現聲子（即晶體振動）一定會在這些超薄晶體的有限尺寸內以意想不到的方式散射激子（即光激發子）。他們發現這種散射如何使較重同位素的光帶隙向光譜的紅色端移動。 “光帶隙”指材料吸收或發射光所需的最小能量。透過調整帶隙，研究人員可以使半導體吸收或發射不同顏色的光，這種可調性對於設計新設備至關重要。

ORNL 的Alex Puretzky 描述了生長在基底上的不同晶體如何因基底的區域應變而導致發射顏色的微小變化。為了證明異常同位素效應，並測量其大小以便與理論預測進行比較，於培育了二硫化鉬晶體，在一個晶體中含有兩種鉬同位素。

肖說：”我們的工作是史無前例的，因為我們合成了含有兩種相同元素但質量不同的同位素的二維材料，並在單層晶體中以可控和漸進的方式橫向連接了同位素。這使我們能夠在二維材料中觀察到光學特性的內在異常同位素效應，而不會受到不均勻樣品的干擾。

研究結果表明，即使原子薄的二維半導體材料中同位素質量發生微小變化，也會影響光學和電子特性，這項發現為繼續研究提供了重要依據。

“以前，人們認為要製造光伏和光電探測器等設備，我們必須將兩種不同的半導體材料結合起來，製造結來捕獲激子並分離它們的電荷。但實際上，我們可以使用相同的材​​料，只需改變其同位素，就能製造出捕獲激子的同位素結，」肖說。 “這項研究也告訴我們，透過同位素工程，我們可以調整光學和電子特性，從而設計出新的應用。”

在未來的實驗中，肖和團隊計劃與高通量同位素反應器和美國國家實驗室同位素科學與工程局的專家合作。這些設施可以提供各種高濃縮同位素前驅體，用於生長不同的同位素純二維材料。然後，研究小組可以進一步研究同位素對自旋特性的影響，以便將其應用於自旋電子學和量子發射。

描述這項研究的論文發表在《科學進展》（Science Advances）上。

編譯來源：ScitechDaily