ราลี – นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ธแคโรไลนาใช้การวิเคราะห์เชิงคำนวณเพื่อคาดการณ์ว่าสมบัติทางแสงของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซิงค์ซีลีไนด์ (ZnSe) เปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อเจือด้วยองค์ประกอบฮาโลเจน และพบว่าการคาดการณ์ได้รับการยืนยันโดยผลการทดลอง วิธีการของพวกเขาสามารถเร่งกระบวนการระบุและสร้างวัสดุที่มีประโยชน์ในการใช้งานควอนตัม
การสร้างเซมิคอนดักเตอร์ที่มีคุณสมบัติตามที่ต้องการหมายถึงการใช้ประโยชน์จากจุดบกพร่อง – ตำแหน่งภายในวัสดุที่อะตอมอาจหายไป หรือมีสิ่งสกปรก โดยการจัดการไซต์เหล่านี้ในเนื้อหา บ่อยครั้งโดยการเพิ่มองค์ประกอบที่แตกต่างกัน (กระบวนการที่เรียกว่า "ยาสลบ") นักออกแบบสามารถดึงคุณสมบัติที่แตกต่างกันออกไป
Doug Irving, University Faculty Scholar และศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์แห่ง NC State กล่าวว่า "ข้อบกพร่องเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ แม้แต่ในวัสดุที่ 'บริสุทธิ์' “เราต้องการติดต่อกับพื้นที่เหล่านั้นผ่านการใช้สารกระตุ้นเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติบางอย่างของวัสดุ แต่การหาองค์ประกอบที่จะใช้ในการยาสลบนั้นต้องใช้เวลาและแรงงานมาก หากเราสามารถใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อทำนายผลลัพธ์เหล่านี้ได้ ก็จะช่วยให้วิศวกรด้านวัสดุสามารถมุ่งเน้นไปที่องค์ประกอบที่มีศักยภาพดีที่สุด”
ในการพิสูจน์การศึกษาหลักการ เออร์วิงและทีมของเขาใช้การวิเคราะห์เชิงคำนวณเพื่อทำนายผลลัพธ์ของการใช้คลอรีนและฟลูออรีนของธาตุฮาโลเจนเป็นสารเจือ ZnSe พวกเขาเลือกองค์ประกอบเหล่านี้เนื่องจาก ZnSe ที่เจือด้วยฮาโลเจนได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง แต่สารเคมีที่มีข้อบกพร่องพื้นฐานยังไม่เป็นที่ยอมรับ
แบบจำลองนี้วิเคราะห์ชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ทั้งหมดสำหรับคลอรีนและฟลูออรีนที่จุดบกพร่อง และคาดการณ์ผลลัพธ์ได้อย่างถูกต้อง เช่น คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสง พลังงานไอออไนเซชัน และการปล่อยแสงจาก ZnSe ที่เจือปน
"เมื่อพิจารณาจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงของข้อบกพร่องในวัสดุที่รู้จัก เราก็สามารถระบุได้ว่าแนวทางนี้สามารถนำมาใช้ในทางที่คาดการณ์ได้" เออร์วิงก์กล่าว “ดังนั้นเราจึงสามารถใช้เพื่อค้นหาข้อบกพร่องและการโต้ตอบที่อาจน่าสนใจ”
ในกรณีของวัสดุเชิงแสง เช่น ZnSe การเปลี่ยนวิธีที่วัสดุดูดซับหรือปล่อยแสงอาจทำให้นักวิจัยสามารถใช้มันในแอปพลิเคชันควอนตัมที่สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากข้อบกพร่องบางอย่างจะไม่ไวต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้น
"นอกเหนือจากการทบทวนเซมิคอนดักเตอร์เช่น ZnSe สำหรับการใช้งานควอนตัมแล้ว ความหมายที่กว้างขึ้นของงานนี้เป็นส่วนที่น่าตื่นเต้นที่สุด" เออร์วิงก์กล่าว "นี่เป็นชิ้นส่วนพื้นฐานที่ขับเคลื่อนเราไปสู่เป้าหมายที่ใหญ่ขึ้น: การใช้เทคโนโลยีการคาดการณ์เพื่อระบุข้อบกพร่องอย่างมีประสิทธิภาพและความเข้าใจพื้นฐานของวัสดุเหล่านี้ซึ่งเป็นผลมาจากการใช้เทคโนโลยีนี้"
การวิจัยปรากฏใน วารสารจดหมายเคมีกายภาพและได้รับการสนับสนุนโดยทุน FA9550-21-1-0383 จากโครงการวิจัยวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศ ด้านวัสดุที่มีคุณสมบัติสุดขีด นักวิจัยหลังปริญญาเอกและผู้เขียนคนแรก Yifeng Wu และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Kelsey Mirrielees ทั้งจาก NC State ก็มีส่วนร่วมในงานนี้เช่นกัน
