RALEIGH – Forskere fra North Carolina State University brugte beregningsanalyse til at forudsige, hvordan optiske egenskaber af halvledermateriale zinkselenid (ZnSe) ændrer sig, når de doteres med halogenelementer, og fandt ud af, at forudsigelserne blev bekræftet af eksperimentelle resultater. Deres metode kunne fremskynde processen med at identificere og skabe materialer, der er nyttige i kvanteapplikationer.
At skabe halvledere med ønskværdige egenskaber betyder at drage fordel af punktdefekter - steder i et materiale, hvor et atom kan mangle, eller hvor der er urenheder. Ved at manipulere disse steder i materialet, ofte ved at tilføje forskellige elementer (en proces kaldet "doping"), kan designere fremkalde forskellige egenskaber.
"Defekter er uundgåelige, selv i 'rene' materialer," siger Doug Irving, University Faculty Scholar og professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved NC State. "Vi ønsker at interface med disse rum via doping for at ændre visse egenskaber af et materiale. Men det er tids- og arbejdskrævende at finde ud af, hvilke elementer der skal bruges i doping. Hvis vi kunne bruge en computermodel til at forudsige disse resultater, ville det give materialeingeniører mulighed for at fokusere på elementer med det bedste potentiale."
I en proof-of-princip-undersøgelse brugte Irving og hans team beregningsanalyse til at forudsige resultatet af at bruge halogenelementerne klor og fluor som ZnSe-doteringsmidler. De valgte disse elementer, fordi halogen-doteret ZnSe er blevet grundigt undersøgt, men den underliggende defektkemi er ikke veletableret.
Modellen analyserede alle mulige kombinationer for klor og fluor på defektsteder og forudsagde korrekt resultater såsom elektroniske og optiske egenskaber, ioniseringsenergi og lysemission fra det dopede ZnSe.
"Ved at se på de elektroniske og optiske egenskaber af defekter i et kendt materiale, var vi i stand til at fastslå, at denne tilgang kan bruges på en forudsigelig måde," siger Irving. "Så vi kan bruge det til at søge efter defekter og interaktioner, der kunne være interessante."
I tilfælde af et optisk materiale som ZnSe kan en ændring af den måde, hvorpå materialet absorberer eller udsender lys, give forskere mulighed for at bruge det i kvanteapplikationer, der kunne fungere ved højere temperaturer, da visse defekter ikke ville være så følsomme over for forhøjede temperaturer.
"Ud over at gense en halvleder som ZnSe til potentiel brug i kvanteapplikationer, er de bredere implikationer af dette arbejde de mest spændende dele," siger Irving. "Dette er en grundlæggende brik, der bevæger os mod større mål: Brug af forudsigelig teknologi til effektivt at identificere defekter og den grundlæggende forståelse af disse materialer, der er resultatet af brugen af denne teknologi."
Forskningen vises i Journal of Physical Chemistry Letters, og blev støttet af tilskud FA9550-21-1-0383 fra Air Force Office of Scientific Research-programmet om materialer med ekstreme egenskaber. Postdoc-forsker og førsteforfatter Yifeng Wu og kandidatstuderende Kelsey Mirrielees, begge fra NC State, bidrog også til arbejdet.
