Quantencomputing und Halbleiter könnten von neuer „Doping“-Forschung der NCSU profitieren

Veröffentlichungsdatum: 7. September 2022

Forscher der North Carolina State University nutzten Computeranalysen, um vorherzusagen, wie sich die optischen Eigenschaften des Halbleitermaterials Zinkselenid (ZnSe) ändern, wenn es mit Halogenelementen dotiert wird, und stellten fest, dass die Vorhersagen durch experimentelle Ergebnisse bestätigt wurden. Ihre Methode könnte den Prozess der Identifizierung und Herstellung von Materialien beschleunigen, die für Quantenanwendungen nützlich sind.

Um Halbleiter mit wünschenswerten Eigenschaften zu schaffen, müssen Punktdefekte ausgenutzt werden – Stellen innerhalb eines Materials, an denen möglicherweise ein Atom fehlt oder an denen Verunreinigungen vorhanden sind. Durch die Manipulation dieser Stellen im Material, häufig durch Hinzufügen verschiedener Elemente (ein Prozess, der als „Dotierung“ bezeichnet wird), können Designer unterschiedliche Eigenschaften hervorrufen.

„Defekte sind unvermeidbar, selbst in „reinen“ Materialien“, sagt Doug Irving, Fakultätswissenschaftler der Universität und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der NC State. „Wir wollen durch Dotierung eine Schnittstelle zu diesen Räumen herstellen, um bestimmte Eigenschaften eines Materials zu verändern. Aber herauszufinden, welche Elemente man beim Doping verwenden sollte, ist zeit- und arbeitsintensiv. Wenn wir diese Ergebnisse mithilfe eines Computermodells vorhersagen könnten, könnten sich Materialingenieure auf Elemente mit dem besten Potenzial konzentrieren.“

In einer Proof-of-Prinzip-Studie verwendeten Irving und sein Team eine Computeranalyse, um das Ergebnis der Verwendung der Halogenelemente Chlor und Fluor als ZnSe-Dotierstoffe vorherzusagen. Sie wählten diese Elemente, weil mit Halogen dotiertes ZnSe ausführlich untersucht wurde, die zugrunde liegenden Defektchemien jedoch nicht gut etabliert sind.

Das Modell analysierte alle möglichen Kombinationen für Chlor und Fluor an Defektstellen und sagte korrekt Ergebnisse wie elektronische und optische Eigenschaften, Ionisierungsenergie und Lichtemission des dotierten ZnSe voraus.

„Durch die Untersuchung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Defekten in einem bekannten Material konnten wir feststellen, dass dieser Ansatz prädiktiv eingesetzt werden kann“, sagt Irving. „So können wir damit nach Fehlern und Wechselwirkungen suchen, die interessant sein könnten.“

Im Fall eines optischen Materials wie ZnSe könnte eine Änderung der Art und Weise, wie das Material Licht absorbiert oder emittiert, es Forschern ermöglichen, es in Quantenanwendungen zu verwenden, die bei höheren Temperaturen funktionieren könnten, da bestimmte Defekte nicht so empfindlich auf erhöhte Temperaturen reagieren würden.

„Neben der erneuten Betrachtung eines Halbleiters wie ZnSe für den möglichen Einsatz in Quantenanwendungen sind die umfassenderen Auswirkungen dieser Arbeit die aufregendsten Teile“, sagt Irving. „Dies ist ein grundlegendes Stück, das uns zu größeren Zielen führt: den Einsatz prädiktiver Technologie zur effizienten Identifizierung von Defekten und das grundlegende Verständnis dieser Materialien, das sich aus der Verwendung dieser Technologie ergibt.“

Die Forschung erscheint in der Journal of Physical Chemistry Lettersund wurde durch den Zuschuss FA9550-21-1-0383 des Air Force Office of Scientific Research-Programms zu Materialien mit extremen Eigenschaften unterstützt. Der Postdoktorand und Erstautor Yifeng Wu sowie die Doktorandin Kelsey Mirrielees, beide von der North Carolina State University, trugen ebenfalls zu der Arbeit bei.

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire