RALEIGH – I ricercatori della North Carolina State University hanno utilizzato l'analisi computazionale per prevedere come cambiano le proprietà ottiche del materiale semiconduttore seleniuro di zinco (ZnSe) quando drogato con elementi alogeni e hanno scoperto che le previsioni sono state confermate dai risultati sperimentali. Il loro metodo potrebbe accelerare il processo di identificazione e creazione di materiali utili nelle applicazioni quantistiche.
Creare semiconduttori con proprietà desiderabili significa sfruttare i difetti puntuali – siti all'interno di un materiale in cui potrebbe mancare un atomo o dove sono presenti impurità. Manipolando questi siti nel materiale, spesso aggiungendo elementi diversi (un processo denominato "doping"), i designer possono ottenere proprietà diverse.
"I difetti sono inevitabili, anche nei materiali 'puri'", afferma Doug Irving, docente universitario e professore di scienza dei materiali e ingegneria presso l'NC State. “Vogliamo interfacciarci con quegli spazi tramite il doping per modificare alcune proprietà di un materiale. Ma capire quali elementi usare nel doping richiede tempo e lavoro. Se potessimo utilizzare un modello computerizzato per prevedere questi risultati, consentirebbe agli ingegneri dei materiali di concentrarsi sugli elementi con il miglior potenziale".
In uno studio di prova di principio, Irving e il suo team hanno utilizzato l'analisi computazionale per prevedere il risultato dell'utilizzo di elementi alogeni cloro e fluoro come droganti ZnSe. Hanno scelto questi elementi perché ZnSe drogato con alogeno è stato ampiamente studiato ma le caratteristiche chimiche dei difetti sottostanti non sono ben stabilite.
Il modello ha analizzato tutte le possibili combinazioni di cloro e fluoro nei siti dei difetti e ha previsto correttamente i risultati come le proprietà elettroniche e ottiche, l'energia di ionizzazione e l'emissione di luce dallo ZnSe drogato.
"Osservando le proprietà elettroniche e ottiche dei difetti in un materiale noto, siamo stati in grado di stabilire che questo approccio può essere utilizzato in modo predittivo", afferma Irving. "Quindi possiamo usarlo per cercare difetti e interazioni che potrebbero essere interessanti".
Nel caso di un materiale ottico come ZnSe, la modifica del modo in cui il materiale assorbe o emette luce potrebbe consentire ai ricercatori di utilizzarlo in applicazioni quantistiche che potrebbero funzionare a temperature più elevate, poiché alcuni difetti non sarebbero così sensibili alle temperature elevate.
"Oltre alla rivisitazione di un semiconduttore come ZnSe per un potenziale utilizzo in applicazioni quantistiche, le implicazioni più ampie di questo lavoro sono le parti più interessanti", afferma Irving. "Questo è un elemento fondamentale che ci spinge verso obiettivi più ampi: utilizzare la tecnologia predittiva per identificare in modo efficiente i difetti e la comprensione fondamentale di questi materiali che risulta dall'utilizzo di questa tecnologia".
La ricerca appare nel Diario di lettere di chimica fisica, ed è stato sostenuto dalla sovvenzione FA9550-21-1-0383 del programma dell'Air Force Office of Scientific Research sui materiali con proprietà estreme. Al lavoro hanno contribuito anche il ricercatore post-dottorato e primo autore Yifeng Wu e la studentessa laureata Kelsey Mirrielees, entrambi dello Stato dell'NC.
