Квантовые вычисления и полупроводники могут извлечь выгоду из нового «легирующего» исследования NCSU

РОЛИ – Исследователи из Университета штата Северная Каролина использовали компьютерный анализ, чтобы предсказать, как меняются оптические свойства полупроводникового материала селенида цинка (ZnSe) при легировании галогенными элементами, и обнаружили, что предсказания подтверждаются экспериментальными результатами. Их метод может ускорить процесс идентификации и создания материалов, полезных в квантовых приложениях.

Создание полупроводников с желаемыми свойствами означает использование преимуществ точечных дефектов — участков внутри материала, где может отсутствовать атом или где есть примеси. Манипулируя этими местами в материале, часто добавляя различные элементы (процесс, называемый «допингом»), дизайнеры могут выявить различные свойства.

«Дефекты неизбежны даже в «чистых» материалах», — говорит Дуг Ирвинг, научный сотрудник университетского факультета и профессор материаловедения и инженерии в штате Северная Каролина. «Мы хотим взаимодействовать с этими пространствами с помощью легирования, чтобы изменить определенные свойства материала. Но выяснение того, какие элементы использовать в допинге, требует много времени и труда. Если бы мы могли использовать компьютерную модель для прогнозирования этих результатов, это позволило бы инженерам-материаловедам сосредоточиться на элементах с наибольшим потенциалом».

В экспериментальном исследовании Ирвинг и его команда использовали вычислительный анализ, чтобы предсказать результат использования галогенных элементов хлора и фтора в качестве примесей ZnSe. Они выбрали эти элементы, потому что ZnSe, легированный галогенами, был тщательно изучен, но химические процессы, лежащие в основе дефектов, не установлены.

Модель проанализировала все возможные комбинации хлора и фтора в местах дефектов и правильно предсказала результаты, такие как электронные и оптические свойства, энергию ионизации и световое излучение легированного ZnSe.

«Рассмотрев электронные и оптические свойства дефектов в известном материале, мы смогли установить, что этот подход можно использовать для прогнозирования», — говорит Ирвинг. «Поэтому мы можем использовать его для поиска дефектов и взаимодействий, которые могут быть интересны».

В случае оптического материала, такого как ZnSe, изменение способа поглощения или излучения света материалом может позволить исследователям использовать его в квантовых приложениях, которые могут работать при более высоких температурах, поскольку некоторые дефекты не будут столь чувствительны к повышенным температурам.

«Помимо повторного изучения полупроводника, такого как ZnSe, для потенциального использования в квантовых приложениях, наиболее интересными частями этой работы являются более широкие последствия этой работы», — говорит Ирвинг. «Это основополагающая часть, которая продвигает нас к более крупным целям: использование технологии прогнозирования для эффективного выявления дефектов и фундаментальное понимание этих материалов, которое является результатом использования этой технологии».

Исследование появляется в Журнал писем физической химии, и был поддержан грантом FA9550-21-1-0383 от программы Управления научных исследований ВВС по материалам с экстремальными свойствами. Постдокторский исследователь и первый автор Ифэн Ву и аспирант Келси Миррилиз из штата Северная Каролина также внесли свой вклад в работу.