رالی - محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی از تجزیه و تحلیل محاسباتی برای پیش‌بینی چگونگی تغییر خواص نوری ماده نیمه‌رسانا روی سلنید (ZnSe) در هنگام دوپ شدن با عناصر هالوژن استفاده کردند و دریافتند که پیش‌بینی‌ها با نتایج تجربی تأیید می‌شوند. روش آنها می تواند فرآیند شناسایی و ایجاد مواد مفید در کاربردهای کوانتومی را سرعت بخشد.
ایجاد نیمه هادی هایی با خواص مطلوب به معنای بهره گیری از عیوب نقطه ای است – محل هایی در یک ماده که ممکن است یک اتم وجود نداشته باشد یا ناخالصی هایی وجود داشته باشد. با دستکاری این مکان‌ها در مواد، اغلب با افزودن عناصر مختلف (فرآیندی که به عنوان دوپینگ شناخته می‌شود)، طراحان می‌توانند ویژگی‌های متفاوتی را استخراج کنند.
داگ ایروینگ، محقق دانشکده دانشگاه و استاد علم و مهندسی مواد در ایالت NC می‌گوید: «نقص حتی در مواد «خالص» اجتناب‌ناپذیر است. ما می خواهیم از طریق دوپینگ با آن فضاها ارتباط برقرار کنیم تا خواص خاصی از یک ماده را تغییر دهیم. اما فهمیدن اینکه از کدام عناصر در دوپینگ استفاده شود زمان و کار بسیار زیادی دارد. اگر بتوانیم از یک مدل کامپیوتری برای پیش‌بینی این نتایج استفاده کنیم، به مهندسان مواد اجازه می‌دهد تا روی عناصری با بهترین پتانسیل تمرکز کنند.»
در یک مطالعه اثبات اصول، ایروینگ و تیمش از تجزیه و تحلیل محاسباتی برای پیش بینی نتیجه استفاده از عناصر هالوژن کلر و فلوئور به عنوان ناخالصی ZnSe استفاده کردند. آنها این عناصر را انتخاب کردند زیرا ZnSe دوپ شده با هالوژن به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است اما شیمی نقص اساسی به خوبی ثابت نشده است.
این مدل تمام ترکیب‌های ممکن برای کلر و فلوئور را در محل‌های نقص تجزیه و تحلیل کرد و نتایجی مانند خواص الکترونیکی و نوری، انرژی یونیزاسیون و انتشار نور از ZnSe دوپ‌شده را به درستی پیش‌بینی کرد.
ایروینگ می‌گوید: «با بررسی خواص الکترونیکی و نوری عیوب در یک ماده شناخته‌شده، ما توانستیم ثابت کنیم که این رویکرد می‌تواند به روشی پیش‌بینی‌کننده استفاده شود. بنابراین می‌توانیم از آن برای جستجوی نقص‌ها و فعل و انفعالاتی که ممکن است جالب باشند استفاده کنیم.»
در مورد یک ماده نوری مانند ZnSe، تغییر روش جذب یا انتشار نور می‌تواند به محققان این امکان را بدهد که از آن در کاربردهای کوانتومی استفاده کنند که می‌توانند در دماهای بالاتر عمل کنند، زیرا برخی نقص‌ها به دماهای بالا حساس نیستند.
ایروینگ می‌گوید: «فرای بازدید مجدد از نیمه‌رساناهایی مانند ZnSe برای استفاده بالقوه در کاربردهای کوانتومی، مفاهیم گسترده‌تر این کار هیجان‌انگیزترین بخش‌ها هستند. "این یک قطعه اساسی است که ما را به سمت اهداف بزرگتر سوق می دهد: استفاده از فناوری پیش بینی برای شناسایی کارآمد عیوب و درک اساسی این مواد که ناشی از استفاده از این فناوری است."
این تحقیق در مجله نامه های شیمی فیزیک، و توسط کمک مالی FA9550-21-1-0383 از دفتر برنامه تحقیقات علمی نیروی هوایی در مورد مواد با خواص فوق العاده حمایت شد. محقق فوق دکترا و اولین نویسنده، Yifeng Wu، و دانشجوی فارغ التحصیل Kelsey Mirrielees، هر دو از ایالت NC، نیز در این کار مشارکت داشتند.
