RALEIG – Para peneliti dari North Carolina State University menggunakan analisis komputasi untuk memprediksi bagaimana sifat optik dari bahan semikonduktor seng selenide (ZnSe) berubah ketika didoping dengan elemen halogen, dan menemukan prediksi dikonfirmasi oleh hasil eksperimen. Metode mereka dapat mempercepat proses mengidentifikasi dan membuat bahan yang berguna dalam aplikasi kuantum.
Membuat semikonduktor dengan sifat yang diinginkan berarti mengambil keuntungan dari cacat titik - situs dalam bahan di mana atom mungkin hilang, atau di mana ada kotoran. Dengan memanipulasi situs-situs ini dalam materi, seringkali dengan menambahkan elemen yang berbeda (proses yang disebut sebagai "doping"), desainer dapat memperoleh sifat yang berbeda.
“Cacat tidak dapat dihindari, bahkan dalam material 'murni',” kata Doug Irving, Cendekiawan Fakultas Universitas dan profesor ilmu material dan teknik di NC State. “Kami ingin berinteraksi dengan ruang-ruang itu melalui doping untuk mengubah sifat material tertentu. Tetapi mencari tahu elemen mana yang digunakan dalam doping membutuhkan waktu dan tenaga. Jika kita dapat menggunakan model komputer untuk memprediksi hasil ini, itu akan memungkinkan insinyur material untuk fokus pada elemen dengan potensi terbaik.”
Dalam studi bukti prinsip, Irving dan timnya menggunakan analisis komputasi untuk memprediksi hasil penggunaan elemen halogen klorin dan fluorin sebagai dopan ZnSe. Mereka memilih elemen-elemen ini karena ZnSe yang didoping halogen telah dipelajari secara ekstensif tetapi kimia cacat yang mendasarinya tidak ditetapkan dengan baik.
Model menganalisis semua kemungkinan kombinasi untuk klorin dan fluorin di lokasi cacat dan hasil yang diprediksi dengan benar seperti sifat elektronik dan optik, energi ionisasi, dan emisi cahaya dari ZnSe yang didoping.
“Dengan melihat sifat elektronik dan optik dari cacat pada bahan yang diketahui, kami dapat menetapkan bahwa pendekatan ini dapat digunakan dengan cara prediktif,” kata Irving. “Jadi kita bisa menggunakannya untuk mencari cacat dan interaksi yang mungkin menarik.”
Dalam kasus bahan optik seperti ZnSe, mengubah cara bahan menyerap atau memancarkan cahaya dapat memungkinkan peneliti untuk menggunakannya dalam aplikasi kuantum yang dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, karena cacat tertentu tidak akan sensitif terhadap suhu tinggi.
“Selain meninjau kembali semikonduktor seperti ZnSe untuk potensi penggunaan dalam aplikasi kuantum, implikasi yang lebih luas dari pekerjaan ini adalah bagian yang paling menarik,” kata Irving. “Ini adalah bagian dasar yang menggerakkan kita menuju tujuan yang lebih besar: menggunakan teknologi prediktif untuk mengidentifikasi cacat secara efisien dan pemahaman mendasar dari bahan-bahan ini yang dihasilkan dari penggunaan teknologi ini.”
Penelitian ini muncul di Jurnal Fisika Kimia Fisika, dan didukung oleh hibah FA9550-21-1-0383 dari program Penelitian Ilmiah Kantor Angkatan Udara tentang Material dengan Sifat Ekstrim. Peneliti postdoctoral dan penulis pertama Yifeng Wu, dan mahasiswa pascasarjana Kelsey Mirrielees, keduanya dari NC State, juga berkontribusi pada pekerjaan tersebut.
