RALEIGH – Forskere fra North Carolina State University brukte beregningsanalyse for å forutsi hvordan optiske egenskaper til halvledermateriale sinkselenid (ZnSe) endres når de dopes med halogenelementer, og fant at spådommene ble bekreftet av eksperimentelle resultater. Metoden deres kan fremskynde prosessen med å identifisere og lage materialer som er nyttige i kvanteapplikasjoner.
Å skape halvledere med ønskelige egenskaper betyr å utnytte punktdefekter – steder i et materiale hvor et atom kan mangle, eller hvor det er urenheter. Ved å manipulere disse sidene i materialet, ofte ved å legge til forskjellige elementer (en prosess referert til som "doping"), kan designere fremkalle forskjellige egenskaper.
"Defekter er uunngåelige, selv i 'rene' materialer," sier Doug Irving, University Faculty Scholar og professor i materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved NC State. "Vi ønsker å kommunisere med disse områdene via doping for å endre visse egenskaper til et materiale. Men å finne ut hvilke elementer som skal brukes i doping er tid- og arbeidskrevende. Hvis vi kunne bruke en datamodell til å forutsi disse resultatene, ville det tillate materialingeniører å fokusere på elementer med det beste potensialet."
I en proof of principle-studie brukte Irving og teamet hans beregningsanalyse for å forutsi resultatet av å bruke halogenelementene klor og fluor som ZnSe-dopanter. De valgte disse elementene fordi halogendopet ZnSe har blitt grundig studert, men de underliggende defektkjemiene er ikke godt etablert.
Modellen analyserte alle mulige kombinasjoner for klor og fluor på defektsteder og predikerte korrekt utfall som elektroniske og optiske egenskaper, ioniseringsenergi og lysutslipp fra dopet ZnSe.
"Ved å se på de elektroniske og optiske egenskapene til defekter i et kjent materiale, var vi i stand til å fastslå at denne tilnærmingen kan brukes på en prediktiv måte," sier Irving. "Så vi kan bruke den til å søke etter defekter og interaksjoner som kan være interessante."
Når det gjelder et optisk materiale som ZnSe, kan endring av måten materialet absorberer eller avgir lys tillate forskere å bruke det i kvanteapplikasjoner som kan fungere ved høyere temperaturer, siden visse defekter ikke ville være like følsomme for høye temperaturer.
"I tillegg til å se på en halvleder som ZnSe for potensiell bruk i kvanteapplikasjoner, er de bredere implikasjonene av dette arbeidet de mest spennende delene," sier Irving. "Dette er en grunnleggende del som beveger oss mot større mål: å bruke prediktiv teknologi for å effektivt identifisere defekter og den grunnleggende forståelsen av disse materialene som er resultatet av å bruke denne teknologien."
Forskningen vises i Journal of Physical Chemistry Letters, og ble støttet av tilskudd FA9550-21-1-0383 fra Air Force Office of Scientific Research-programmet om materialer med ekstreme egenskaper. Postdoktor og førsteforfatter Yifeng Wu, og doktorgradsstudent Kelsey Mirrielees, begge fra NC State, bidro også til arbeidet.
