量子コンピューティング、半導体はNCSUの新たな「ドーピング」研究から恩恵を受ける可能性がある
発行日:ノースカロライナ州立大学の研究者らは、計算分析を用いて、ハロゲン元素を添加した場合の半導体材料であるセレン化亜鉛（ZnSe）の光学特性がどのように変化するかを予測し、その予測が実験結果によって確認されたことを発見した。この手法により、量子アプリケーションに有用な材料の特定と作成のプロセスが加速される可能性がある。
望ましい特性を持つ半導体を作るには、点欠陥、つまり材料内の原子が欠けている場所や不純物がある場所を利用する必要があります。多くの場合、異なる元素を追加することで（「ドーピング」と呼ばれるプロセス）、材料内のこれらの場所を操作することで、設計者はさまざまな特性を引き出すことができます。
「『純粋な』材料であっても、欠陥は避けられません」と、ノースカロライナ州立大学の大学教員研究員で材料科学および工学の教授であるダグ・アービング氏は言う。「私たちは、ドーピングによってそれらの空間と相互作用し、材料の特定の特性を変えたいのです。しかし、ドーピングにどの元素を使うかを考えるのは、時間と労力がかかります。コンピューターモデルを使ってこれらの結果を予測できれば、材料エンジニアは最も可能性の高い元素に集中することができます。」
原理実証研究において、アーヴィング氏と彼のチームは計算分析を使用して、ZnSe ドーパントとしてハロゲン元素の塩素とフッ素を使用した場合の結果を予測しました。彼らがこれらの元素を選んだのは、ハロゲンをドープした ZnSe は広範に研究されているものの、その根底にある欠陥の化学が十分に確立されていないためです。
このモデルは、欠陥部位における塩素とフッ素のあらゆる可能な組み合わせを分析し、ドープされた ZnSe からの電子的および光学的特性、イオン化エネルギー、発光などの結果を正確に予測しました。
「既知の材料の欠陥の電子的および光学的特性を調べることで、このアプローチが予測的に使用できることを立証できました」とアーヴィング氏は言う。「したがって、このアプローチを使用して、興味深い可能性のある欠陥や相互作用を探索できます。」
ZnSe のような光学材料の場合、材料が光を吸収または放出する方法を変更することで、特定の欠陥が高温に対してそれほど敏感でなくなるため、研究者はより高温で動作できる量子アプリケーションにその材料を使用できるようになります。
「量子アプリケーションでの使用可能性について ZnSe のような半導体を再検討するだけでなく、この研究のより広範な影響が最も興味深い部分です」とアーヴィング氏は言います。「これは、予測技術を使用して欠陥を効率的に特定し、この技術の使用から得られるこれらの材料の基本的な理解という、より大きな目標に向かって進むための基礎的な部分です。」
この研究は、 物理化学レターズジャーナルこの研究は、空軍科学研究局の極限特性材料プログラムからの助成金 FA9550-21-1-0383 によって支援されました。ノースカロライナ州立大学のポスドク研究員で筆頭著者の Yifeng Wu 氏と大学院生の Kelsey Mirrielees 氏もこの研究に貢献しました。
元の記事の出典: WRAL TechWire