RALEIGH – Az Észak-Karolinai Állami Egyetem kutatói számítási analízis segítségével előre jelezték, hogyan változnak a félvezető anyagú cink-szelenid (ZnSe) optikai tulajdonságai, ha halogén elemekkel adalékolják, és azt találták, hogy a jóslatokat a kísérleti eredmények is megerősítik. Módszerük felgyorsíthatja a kvantum alkalmazásokban hasznos anyagok azonosításának és létrehozásának folyamatát.
A kívánt tulajdonságokkal rendelkező félvezetők létrehozása azt jelenti, hogy kihasználjuk a ponthibákat – olyan helyeket az anyagon belül, ahol hiányozhat egy atom, vagy ahol szennyeződések vannak. Az anyag ezen helyeinek manipulálásával, gyakran különböző elemek hozzáadásával (ezt a folyamatot „doppingnak” nevezik), a tervezők különböző tulajdonságokat válthatnak ki.
„A hibák elkerülhetetlenek, még a „tiszta” anyagoknál is” – mondja Doug Irving, az egyetemi tanár, az NC State anyagtudományi és mérnöki professzora. „Az anyag bizonyos tulajdonságainak megváltoztatása érdekében doppingon keresztül szeretnénk kapcsolódni ezekkel a terekkel. De idő- és munkaigényes annak kitalálása, hogy mely elemeket használjuk a doppingoláshoz. Ha egy számítógépes modell segítségével megjósolhatnánk ezeket az eredményeket, az lehetővé tenné az anyagmérnökök számára, hogy a legjobb potenciállal rendelkező elemekre összpontosítsanak.”
Az alapelveket igazoló tanulmányban Irving és csapata számítási analízist használt annak előrejelzésére, hogy a halogénelemek, a klór és a fluor ZnSe adalékanyagként való felhasználásának eredménye lesz. Azért választották ezeket az elemeket, mert a halogénnel adalékolt ZnSe-t alaposan tanulmányozták, de a mögöttes hibakémiák nem jól megalapozottak.
A modell elemezte a klór és fluor összes lehetséges kombinációját a hibahelyeken, és helyesen jósolta meg az eredményeket, például az elektronikus és optikai tulajdonságokat, az ionizációs energiát és az adalékolt ZnSe fényemisszióját.
"Egy ismert anyag hibáinak elektronikus és optikai tulajdonságait megvizsgálva meg tudtuk állapítani, hogy ez a megközelítés prediktív módon használható" - mondja Irving. "Így használhatjuk olyan hibák és interakciók keresésére, amelyek érdekesek lehetnek."
Egy olyan optikai anyag esetében, mint a ZnSe, az anyag fényelnyelési vagy -kibocsátási módjának megváltoztatása lehetővé teheti a kutatóknak, hogy olyan kvantumalkalmazásokban használják fel, amelyek magasabb hőmérsékleten is működhetnek, mivel bizonyos hibák nem lennének olyan érzékenyek a magasabb hőmérsékletre.
„Amellett, hogy újra megvizsgálunk egy félvezetőt, például a ZnSe-t a kvantumalkalmazásokban való felhasználás céljából, ennek a munkának a szélesebb körű következményei a legizgalmasabb részek” – mondja Irving. „Ez egy olyan alapelem, amely nagyobb célok felé visz bennünket: a prediktív technológia használata a hibák hatékony azonosítására, és ezen anyagok alapvető megértése, amely ennek a technológiának az eredménye.”
A kutatás a Journal of Physical Chemistry Letters, és az FA9550-21-1-0383 számú támogatást a Légierő Hivatala Extrém tulajdonságokkal rendelkező anyagok tudományos kutatási programja támogatta. Yifeng Wu posztdoktori kutató és első szerző, valamint Kelsey Mirrielees végzős hallgató, mindketten NC államból, szintén hozzájárultak a munkához.
