RALEIGH – Naukowcy z North Carolina State University wykorzystali analizę obliczeniową, aby przewidzieć, w jaki sposób właściwości optyczne materiału półprzewodnikowego selenku cynku (ZnSe) zmieniają się po domieszkowaniu pierwiastkami halogenowymi, i stwierdzili, że przewidywania zostały potwierdzone wynikami eksperymentalnymi. Ich metoda może przyspieszyć proces identyfikacji i tworzenia materiałów przydatnych w zastosowaniach kwantowych.
Tworzenie półprzewodników o pożądanych właściwościach oznacza wykorzystanie defektów punktowych – miejsc w materiale, w których może brakować atomu lub w których występują zanieczyszczenia. Manipulując tymi miejscami w materiale, często dodając różne elementy (proces określany jako „doping”), projektanci mogą uzyskać różne właściwości.
„Defekty są nieuniknione, nawet w przypadku „czystych” materiałów – mówi Doug Irving, stypendysta uniwersytecki i profesor inżynierii materiałowej w NC State. „Chcemy łączyć się z tymi przestrzeniami poprzez domieszkowanie, aby zmienić pewne właściwości materiału. Ale ustalenie, które elementy zastosować w dopingu, jest czasochłonne i pracochłonne. Gdybyśmy mogli użyć modelu komputerowego do przewidywania tych wyników, pozwoliłoby to inżynierom materiałowym skoncentrować się na elementach o największym potencjale”.
W badaniu potwierdzającym zasadę działania Irving i jego zespół wykorzystali analizę obliczeniową, aby przewidzieć wynik zastosowania pierwiastków halogenowych, chloru i fluoru, jako domieszek ZnSe. Wybrali te pierwiastki, ponieważ domieszkowany halogenem ZnSe był szeroko badany, ale chemia leżąca u podstaw defektów nie jest dobrze poznana.
Model przeanalizował wszystkie możliwe kombinacje chloru i fluoru w miejscach defektów i prawidłowo przewidział wyniki, takie jak właściwości elektroniczne i optyczne, energia jonizacji i emisja światła z domieszkowanego ZnSe.
„Przyglądając się właściwościom elektronicznym i optycznym defektów w znanym materiale, byliśmy w stanie ustalić, że to podejście może być stosowane w sposób predykcyjny” – mówi Irving. „Dzięki temu możemy go użyć do wyszukiwania defektów i interakcji, które mogą być interesujące”.
W przypadku materiału optycznego, takiego jak ZnSe, zmiana sposobu, w jaki materiał pochłania lub emituje światło, może umożliwić naukowcom wykorzystanie go w zastosowaniach kwantowych, które mogłyby działać w wyższych temperaturach, ponieważ niektóre defekty nie byłyby tak wrażliwe na podwyższone temperatury.
„Oprócz ponownego zbadania półprzewodnika takiego jak ZnSe do potencjalnego wykorzystania w zastosowaniach kwantowych, najbardziej ekscytujące są szersze implikacje tej pracy” – mówi Irving. „To fundamentalny element, który prowadzi nas w kierunku większych celów: wykorzystania technologii predykcyjnej do skutecznego identyfikowania defektów i podstawowego zrozumienia tych materiałów, które wynika z zastosowania tej technologii”.
Badania pojawiają się w Journal of Fizycznej Chemii Litery ., i był finansowany z grantu FA9550-21-1-0383 z programu Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych na materiały o ekstremalnych właściwościach. Badacz podoktorancki i pierwszy autor Yifeng Wu oraz doktorant Kelsey Mirrielees, oboje z NC State, również przyczynili się do pracy.
