Quantum computing en halfgeleiders zouden kunnen profiteren van nieuw 'doping' NCSU-onderzoek
Datum gepubliceerd:Onderzoekers van North Carolina State University gebruikten computationele analyse om te voorspellen hoe optische eigenschappen van halfgeleidermateriaal zinkselenide (ZnSe) veranderen wanneer het wordt gedoteerd met halogeenelementen, en ontdekten dat de voorspellingen werden bevestigd door experimentele resultaten. Hun methode zou het proces van het identificeren en creëren van materialen die bruikbaar zijn in kwantumtoepassingen kunnen versnellen.
Het creëren van halfgeleiders met gewenste eigenschappen betekent profiteren van puntdefecten – plekken in een materiaal waar een atoom kan ontbreken of waar onzuiverheden aanwezig zijn. Door deze plekken in het materiaal te manipuleren, vaak door verschillende elementen toe te voegen (een proces dat bekendstaat als “doping”), kunnen ontwerpers verschillende eigenschappen oproepen.
"Defecten zijn onvermijdelijk, zelfs in 'zuivere' materialen," zegt Doug Irving, University Faculty Scholar en hoogleraar materiaalkunde en -techniek aan de NC State. "We willen via doping met die ruimtes communiceren om bepaalde eigenschappen van een materiaal te veranderen. Maar uitzoeken welke elementen we bij doping moeten gebruiken, kost veel tijd en arbeid. Als we een computermodel zouden kunnen gebruiken om deze uitkomsten te voorspellen, zouden materiaalkundigen zich kunnen richten op elementen met het beste potentieel."
In een proof of principle-studie gebruikten Irving en zijn team computationele analyse om de uitkomst te voorspellen van het gebruik van halogeenelementen chloor en fluor als ZnSe-dopanten. Ze kozen deze elementen omdat halogeengedoteerde ZnSe uitgebreid is bestudeerd, maar de onderliggende defectchemie niet goed is vastgesteld.
Het model analyseerde alle mogelijke combinaties van chloor en fluor op de defectlocaties en voorspelde correct de uitkomsten, zoals elektronische en optische eigenschappen, ionisatie-energie en lichtemissie van het gedoteerde ZnSe.
"Door te kijken naar de elektronische en optische eigenschappen van defecten in een bekend materiaal, konden we vaststellen dat deze aanpak op een voorspellende manier kan worden gebruikt", zegt Irving. "Dus we kunnen het gebruiken om te zoeken naar defecten en interacties die interessant kunnen zijn."
In het geval van een optisch materiaal als ZnSe zou het veranderen van de manier waarop het materiaal licht absorbeert of uitzendt, onderzoekers in staat kunnen stellen om het te gebruiken in kwantumtoepassingen die bij hogere temperaturen kunnen functioneren, omdat bepaalde defecten minder gevoelig zouden zijn voor hogere temperaturen.
"Naast het herzien van een halfgeleider als ZnSe voor potentieel gebruik in kwantumtoepassingen, zijn de bredere implicaties van dit werk de meest opwindende onderdelen", zegt Irving. "Dit is een fundamenteel onderdeel dat ons naar grotere doelen brengt: het gebruik van voorspellende technologie om defecten efficiënt te identificeren en het fundamentele begrip van deze materialen dat voortvloeit uit het gebruik van deze technologie."
Het onderzoek verschijnt in de Tijdschrift voor fysische chemie Brieven, en werd ondersteund door subsidie FA9550-21-1-0383 van het Air Force Office of Scientific Research-programma over materialen met extreme eigenschappen. Postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur Yifeng Wu en doctoraalstudent Kelsey Mirrielees, beiden van NC State, droegen ook bij aan het werk.
Originele artikelbron: WRAL TechWire