量子计算、半导体可能受益于北卡罗来纳州立大学新的“兴奋剂”研究
发布日期：北卡罗来纳州立大学的研究人员利用计算分析预测了半导体材料硒化锌 (ZnSe) 掺杂卤素元素后光学特性的变化，并发现实验结果证实了预测。他们的方法可以加速识别和创造可用于量子应用的材料的过程。
制造具有理想特性的半导体意味着要利用点缺陷——材料中可能缺少原子或存在杂质的位置。通过操纵材料中的这些位置，通常通过添加不同的元素（这一过程称为“掺杂”），设计人员可以获得不同的特性。
“缺陷是不可避免的，即使是‘纯’材料，”北卡罗来纳州立大学材料科学与工程系教授、大学教员 Doug Irving 说道。“我们希望通过掺杂来与这些空间进行交互，以改变材料的某些特性。但确定掺杂时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，材料工程师就可以专注于最具潜力的元素。”
在一项原理验证研究中，Irving 及其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。他们之所以选择这些元素，是因为卤素掺杂的 ZnSe 已经得到广泛研究，但其潜在的缺陷化学性质尚未得到充分证实。
该模型分析了缺陷位置氯和氟的所有可能组合，并正确预测了掺杂 ZnSe 的电子和光学特性、电离能和光发射等结果。
“通过观察已知材料中缺陷的电子和光学特性，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寻找可能有趣的缺陷和相互作用。”
对于像 ZnSe 这样的光学材料，改变材料吸收或发射光的方式可以让研究人员将其用于可以在更高温度下操作的量子应用，因为某些缺陷对高温不那么敏感。
“除了重新研究 ZnSe 等半导体在量子应用中的潜在用途之外，这项研究的更广泛意义才是最令人兴奋的部分，”Irving 说道。“这是一个基础性工作，它推动我们实现更大的目标：使用预测技术高效识别缺陷，以及通过使用该技术对这些材料进行根本性的理解。”
该研究发表在 物理化学快报，并由空军科学研究办公室极端性能材料项目资助，资助编号为 FA9550-21-1-0383。来自北卡罗来纳州立大学的博士后研究员兼第一作者吴一峰和研究生凯尔西·米里利斯也参与了这项工作。
原文来源： WRAL 技术线