RALEIGH – Forskare från North Carolina State University använde beräkningsanalys för att förutsäga hur optiska egenskaper hos halvledarmaterial zinkselenid (ZnSe) förändras när de dopas med halogenelement, och fann att förutsägelserna bekräftades av experimentella resultat. Deras metod skulle kunna påskynda processen att identifiera och skapa material som är användbart i kvanttillämpningar.
Att skapa halvledare med önskvärda egenskaper innebär att dra fördel av punktdefekter – platser i ett material där en atom kan saknas, eller där det finns föroreningar. Genom att manipulera dessa platser i materialet, ofta genom att lägga till olika element (en process som kallas "dopning"), kan designers framkalla olika egenskaper.
"Defekter är oundvikliga, även i "rena" material, säger Doug Irving, University Faculty Scholar och professor i materialvetenskap och teknik vid NC State. "Vi vill samverka med dessa utrymmen via dopning för att ändra vissa egenskaper hos ett material. Men att ta reda på vilka element som ska användas vid dopning är tids- och arbetskrävande. Om vi kunde använda en datormodell för att förutsäga dessa resultat skulle det tillåta materialingenjörer att fokusera på element med den bästa potentialen."
I en principiell studie använde Irving och hans team beräkningsanalys för att förutsäga resultatet av att använda halogenelementen klor och fluor som ZnSe-dopmedel. De valde dessa element eftersom halogendopad ZnSe har studerats omfattande men de underliggande defektkemin är inte väl etablerade.
Modellen analyserade alla möjliga kombinationer för klor och fluor vid defekta platser och förutspådde korrekt utfall såsom elektroniska och optiska egenskaper, joniseringsenergi och ljusemission från den dopade ZnSe.
"Genom att titta på de elektroniska och optiska egenskaperna hos defekter i ett känt material kunde vi fastställa att detta tillvägagångssätt kan användas på ett prediktivt sätt", säger Irving. "Så vi kan använda den för att söka efter defekter och interaktioner som kan vara intressanta."
När det gäller ett optiskt material som ZnSe, kan en förändring av hur materialet absorberar eller avger ljus tillåta forskare att använda det i kvantapplikationer som kan fungera vid högre temperaturer, eftersom vissa defekter inte skulle vara lika känsliga för förhöjda temperaturer.
"Förutom att återbesöka en halvledare som ZnSe för potentiell användning i kvanttillämpningar, är de bredare implikationerna av detta arbete de mest spännande delarna", säger Irving. "Detta är en grundläggande del som flyttar oss mot större mål: att använda prediktiv teknik för att effektivt identifiera defekter och den grundläggande förståelsen för dessa material som är resultatet av att använda denna teknik."
Forskningen förekommer i Journal of Physical Chemistry Letters, och fick stöd av anslag FA9550-21-1-0383 från Air Force Office of Scientific Research-programmet om material med extrema egenskaper. Postdoktorand och försteförfattare Yifeng Wu, och doktorand Kelsey Mirrielees, båda från NC State, bidrog också till arbetet.
