同位体を調整することで、半導体を工学化する有望なアプローチに光が当たる(Tweaking isotopes sheds light on promising approach to engineer semiconductors)

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2024-05-03 オークリッジ国立研究所(ORNL)

オークリッジ国立研究所の科学者が主導する研究により、半導体材料の同位体含有量の小さな変化が、その光学的および電子的特性に影響を与えることが示されました。この発見は、新しい半導体デバイスの設計への道を開く可能性があります。特に、二次元(2D)での同位体エンジニアリングに焦点を当てた研究で、単層の二硫化モリブデンの同位体を置換することにより、光電子特性に驚くべき効果が観察されました。これにより、マイクロエレクトロニクス、太陽電池、フォトディテクター、次世代コンピューティング技術向けの2D光電子デバイスの設計が可能になるかもしれません。

<関連情報>

単層遷移金属ダイカルコゲナイド半導体の光バンドギャップに対する異常な同位体効果 Anomalous isotope effect on the optical bandgap in a monolayer transition metal dichalcogenide semiconductor

YILING YU, VOLODYMYR TURKOWSKI, JORDAN A. HACHTEL, ALEXANDER A. PURETZKY, […], AND KAI XIAO
Science Advances  Published:21 Feb 2024
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adj0758

Abstract

Isotope effects have received increasing attention in materials science and engineering because altering isotopes directly affects phonons, which can affect both thermal properties and optoelectronic properties of conventional semiconductors. However, how isotopic mass affects the optoelectronic properties in 2D semiconductors remains unclear because of measurement uncertainties resulting from sample heterogeneities. Here, we report an anomalous optical bandgap energy red shift of 13 (±7) milli–electron volts as mass of Mo isotopes is increased in laterally structured 100MoS292MoS2 monolayers grown by a two-step chemical vapor deposition that mitigates the effects of heterogeneities. This trend, which is opposite to that observed in conventional semiconductors, is explained by many-body perturbation and time-dependent density functional theories that reveal unusually large exciton binding energy renormalizations exceeding the ground-state renormalization energy due to strong coupling between confined excitons and phonons. The isotope effect on the optical bandgap reported here provides perspective on the important role of exciton-phonon coupling in the physical properties of two-dimensional materials.

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