北卡罗来纳州立大学的研究人员使用计算分析来预测半导体材料硒化锌(ZnSe)在掺杂卤素元素时的光学性能如何变化,并发现实验结果证实了预测结果。他们的方法可以加快识别和创造量子应用中有用材料的过程。
创造具有理想性能的半导体意味着利用点缺陷鈥攕原子可能缺失或存在杂质的材料中的ITE。通过操纵材料中的这些位置,通常通过添加不同的元素(一种称为“掺杂”的过程),设计师可以获得不同的属性。
“缺陷是不可避免的,即使是在'纯'材料中,”道格·欧文(Doug Irving)说,他是北卡罗莱纳州立大学的教授和材料科学与工程教授。“我们希望通过掺杂来与这些空间对接,以改变材料的某些特性。但是,找出掺杂中使用哪些元素需要耗费大量时间和人力。如果我们可以使用计算机模型来预测这些结果,将使材料工程师能够专注于具有最佳潜力的元素。”
在一项原理证明研究中,欧文和他的团队使用计算分析来预测使用卤素元素氯和氟作为ZnSe掺杂剂的结果。他们选择这些元素是因为卤素掺杂的ZnSe已被广泛研究,但潜在的缺陷化学尚未很好地确定。
该模型分析了缺陷位置处氯和氟的所有可能组合,并正确预测了结果,如电子和光学性质、电离能和掺杂ZnSe的发光。
“通过观察已知材料中缺陷的电子和光学性质,我们能够确定这种方法可以用于预测,”欧文说。“所以我们可以用它来搜索可能有趣的缺陷和交互。”
就ZnSe这样的光学材料而言,改变材料吸收或发射光的方式可以让研究人员将其用于量子应用中,可以在更高的温度下工作,因为某些缺陷对升高的温度不那么敏感。
Irving说:“除了重温ZnSe等半导体在量子应用中的潜在用途之外,这项工作的更广泛意义是最令人兴奋的部分。”。“这是推动我们朝着更大目标前进的一个基础部分:使用预测技术有效识别缺陷,并从根本上理解使用该技术产生的这些材料。”
这项研究发表在《物理化学快报》杂志上。