Halbleitermaterialien modifiziert Spannende Weiterentwicklung von Halbleitern durch modifizierte Isotope

Anbieter zum Thema

Oak Ridge National Laboratory

FAULHABER Antriebssysteme

ET System electronic GmbH

MEV Elektronik Service GmbH

Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) zeigen im Rahmen ihrer Studie aus Mai 2024, dass kleine Veränderungen des Isotopengehalts von dünnen Halbleitermaterialien die optischen und elektronischen Eigenschaften beeinflussen können. Das könnte sich auf der Suche nach neuen und fortgeschrittenen Halbleiterdesigns auszahlen.

Halbleiter sind entscheidend für die Weiterentwicklung elektronischer Bauelemente und Systeme. Seit Jahrzehnten forschen Wissenschaftler daran, wie sich diese Materialien optimieren lassen, um den Stromfluss besser zu steuern. Ein innovativer Ansatz gelang einer Forschergruppe des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) durch die gezielte Nutzung von Isotopen zur Veränderung physikalischer, chemischer und technischer Eigenschaften.

Das ORNL-Team hat die Möglichkeiten des Isotopen-Engineerings erweitert, indem es Strom in atomar dünnen 2D-Kristallen einschloss. Diese ultradünnen Materialien ermöglichen eine präzise Kontrolle ihrer elektronischen Eigenschaften. Isotope, Elemente mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl, wurden bislang primär in sogenannten Bulk-Materialien untersucht, die gleichmäßige Eigenschaften in drei Dimensionen aufweisen.

Überraschung in den Isotopen

„Wir haben einen überraschenden Isotopeneffekt in den optoelektronischen Eigenschaften einer einzelnen Schicht aus Molybdändisulfid beobachtet, als wir ein schwereres Molybdän-Isotop in den Kristall einbrachten. Dieser Effekt eröffnet die Möglichkeit, optoelektronische 2D-Bauteile für die Mikroelektronik, Solarzellen, Photodetektoren und sogar für die nächste Generation von Computertechnologien zu entwickeln“, so ORNL-Wissenschaftler Kai Xiao.

Yiling Yu, ein Mitglied des Forschungsteams, züchtete isotopenreine 2D-Kristalle aus atomar dünnem Molybdändisulfid unter Verwendung von Molybdänatomen unterschiedlicher Masse. Yu bemerkte dabei kleine Veränderungen in der Farbe des Lichts, das von den Kristallen bei Fotoanregung oder Lichtstimulation ausgesandt wurde. „Unerwartet wurde das Licht des Molybdändisulfids mit den schwereren Molybdänatomen weiter zum roten Ende des Spektrums hinverschoben, was im Gegensatz zu der Verschiebung steht, die man bei Massenmaterialien erwarten würde“, so Xiao. Die Rotverschiebung deutet auf eine Veränderung der elektronischen Struktur oder der optischen Eigenschaften des Materials hin.

Photonen mit unerwarteter Streuung

Xiao und Team, das mit den Theoretikern Volodymyr Turkowski und Talat Rahman der University of Central Florida zusammenarbeitet, wussten, dass die Phononen (also die Kristallschwingungen) die Exzitonen (die optischen Anregungen) in den begrenzten Dimensionen dieser ultradünnen Kristalle auf unerwartete Weise streuen müssen. Sie entdeckten, wie diese Streuung die optische Bandlücke für schwerere Isotope an das rote Ende des Lichtspektrums verschiebt.

„Optische Bandlücke“ bezieht sich auf die Mindestmenge an Energie, die erforderlich ist, damit ein Material Licht absorbiert oder aussendet. Durch Anpassung der Bandlücke können Forscher Halbleiter dazu bringen, verschiedene Lichtfarben zu absorbieren oder zu emittieren. Eine solche Abstimmbarkeit ist für die Entwicklung neuer Systeme unerlässlich.

Alex Puretzky vom ORNL beschreibt, wie verschiedene Kristalle, die auf einem Substrat gezüchtet wurden, kleine Verschiebungen in der emittierten Farbe aufweisen können, die durch regionale Verformungen des Substrats verursacht werden. Um den anomalen Isotopeneffekt nachzuweisen und sein Ausmaß zu messen, um es mit theoretischen Vorhersagen zu vergleichen, züchtete Yu Molybdändisulfidkristalle mit zwei Molybdänisotopen in einem Kristall.

2D-Material auf ungewöhnliche Art hergestellt

„Unsere Arbeit war insofern beispiellos, als wir ein 2D-Material mit zwei Isotopen desselben Elements, aber mit unterschiedlichen Massen synthetisierten und die Isotope seitlich kontrollierten und schrittweise in einem Einschichtkristall verbanden“, so Xiao. „So konnten wir den intrinsischen anomalen Isotopeneffekt auf die optischen Eigenschaften des 2D-Materials ohne die durch eine inhomogene Probe verursachten Störungen beobachten“.

Die Studie zeigte, dass selbst eine kleine Änderung der Isotopenmassen in den atomar dünnen 2D-Halbleitermaterialien die optischen und elektronischen Eigenschaften beeinflussen kann – eine Erkenntnis, die eine wichtige Grundlage für die weitere Forschung darstellt. „Früher glaubte man, dass man für die Herstellung von Bauelementen wie Fotovoltaik und Fotodetektoren zwei verschiedene Halbleitermaterialien kombinieren muss, um Übergänge herzustellen, die Exzitonen einfangen und ihre Ladungen trennen.“

„Tatsächlich können wir aber dasselbe Material verwenden und nur seine Isotope austauschen, um Isotopenübergänge zum Einfangen der Exzitonen zu schaffen“, so Xiao. „Diese Forschung zeigt uns auch, dass wir durch Isotopentechnik die optischen und elektronischen Eigenschaften abstimmen können, um neue Anwendungen zu entwickeln.“ Für zukünftige Experimente planen Xiao und das Team eine Zusammenarbeit mit den Experten des High Flux Isotope Reactor und des Isotope Science and Engineering Directorate am ORNL. Diese Einrichtungen können verschiedene hoch angereicherte Isotopenvorstufen bereitstellen, um verschiedene isotopenreine 2D-Materialien zu züchten.

Das Team kann dann den Isotopeneffekt auf die Spineigenschaften für ihre Anwendungen in der Spinelektronik und Quantenemission weiter untersuchen. Der Artikel, der die Forschung beschreibt, wurde in ‚Science Advances‘ veröffentlicht. Die Forschungsarbeit wurde vom Office of Science, Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division des DOE unterstützt und am Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) am ORNL, einer Einrichtung des Office of Science, durchgeführt. Das CNMS unterstützte die TOF-SIMS-, STEM- und optischen Spektroskopiemessungen. (sb)

Angemerkt

Ist Biocomputing Science-Fiction?

Subvolt-Transistoren

Mit Redox-Gating zu energieeffizienterer Mikroelektronik

(ID:50173427)