RALEIGH - Pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte usaram análise computacional para prever como as propriedades ópticas do material semicondutor seleneto de zinco (ZnSe) mudam quando dopado com elementos halógenos, e descobriram que as previsões foram confirmadas por resultados experimentais. Seu método poderia acelerar o processo de identificação e criação de materiais úteis em aplicações quânticas.
Criar semicondutores com propriedades desejáveis significa aproveitar defeitos pontuais – locais dentro de um material onde um átomo pode estar faltando ou onde há impurezas. Ao manipular estes locais no material, muitas vezes adicionando diferentes elementos (um processo referido como “dopagem”), os designers podem obter propriedades diferentes.
“Os defeitos são inevitáveis, mesmo em materiais 'puros'”, diz Doug Irving, acadêmico da Universidade e professor de ciência e engenharia de materiais na NC State. “Queremos interagir com esses espaços através do doping para alterar certas propriedades de um material. Mas descobrir quais elementos usar no doping exige muito tempo e trabalho. Se pudéssemos usar um modelo computacional para prever esses resultados, permitiríamos que os engenheiros de materiais se concentrassem nos elementos com o melhor potencial.”
Em um estudo de prova de princípio, Irving e sua equipe usaram análise computacional para prever o resultado do uso de elementos halogênios cloro e flúor como dopantes de ZnSe. Eles escolheram esses elementos porque o ZnSe dopado com halogênio foi extensivamente estudado, mas os defeitos químicos subjacentes não estão bem estabelecidos.
O modelo analisou todas as combinações possíveis de cloro e flúor em locais de defeito e previu corretamente resultados como propriedades eletrônicas e ópticas, energia de ionização e emissão de luz do ZnSe dopado.
“Ao observar as propriedades eletrônicas e ópticas dos defeitos em um material conhecido, conseguimos estabelecer que esta abordagem pode ser usada de forma preditiva”, diz Irving. “Assim, podemos usá-lo para procurar defeitos e interações que possam ser interessantes.”
No caso de um material óptico como o ZnSe, mudar a forma como o material absorve ou emite luz poderia permitir aos pesquisadores utilizá-lo em aplicações quânticas que poderiam operar em temperaturas mais altas, uma vez que certos defeitos não seriam tão sensíveis a temperaturas elevadas.
“Além de revisitar um semicondutor como o ZnSe para uso potencial em aplicações quânticas, as implicações mais amplas deste trabalho são as partes mais interessantes”, diz Irving. “Esta é uma peça fundamental que nos move em direção a objetivos maiores: usar tecnologia preditiva para identificar defeitos com eficiência e a compreensão fundamental desses materiais que resulta do uso dessa tecnologia.”
A pesquisa aparece no Revista de Cartas de Físico-Química, e foi apoiado pela concessão FA9550-21-1-0383 do programa do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea sobre Materiais com Propriedades Extremas. O pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor Yifeng Wu, e a estudante de pós-graduação Kelsey Mirrielees, ambos da NC State, também contribuíram para o trabalho.
