北卡羅來納州立大學的研究人員使用計算分析來預(yù)測半導(dǎo)體材料硒化鋅(ZnSe)在摻雜鹵素元素時的光學特性如何變化，并發(fā)現(xiàn)這些預(yù)測得到了實驗結(jié)果的證實。他們的方法可以加快識別和創(chuàng)造可用于量子應(yīng)用的材料的過程。

制造具有理想特性的半導(dǎo)體意味著利用點缺陷——材料中可能缺少原子或存在雜質(zhì)的位置。通過操縱材料中的這些位點，通常是通過添加不同的元素(稱為“摻雜”的過程)，設(shè)計師可以得出不同的屬性。

“即使在‘純’材料中，缺陷也是不可避免的，”北卡羅來納州立大學教授學者和材料科學與工程教授DougIrving說。“我們希望通過摻雜與這些空間進行交互，以改變材料的某些特性。但是弄清楚在摻雜中使用哪些元素是時間和勞動密集型的。如果我們可以使用計算機模型來預(yù)測這些結(jié)果，它將使材料工程師能夠?qū)Ｗ⒂谧罹邼摿Φ脑亍?rdquo;

在原理驗證研究中，歐文和他的團隊使用計算分析來預(yù)測使用鹵素元素氯和氟作為ZnSe摻雜劑的結(jié)果。他們之所以選擇這些元素，是因為鹵素摻雜的ZnSe已被廣泛研究，但潛在的缺陷化學還沒有得到很好的確定。

該模型分析了缺陷部位氯和氟的所有可能組合，并正確預(yù)測了摻雜ZnSe的電子和光學特性、電離能和光發(fā)射等結(jié)果。

“通過查看已知材料中缺陷的電子和光學特性，我們能夠確定這種方法可以以預(yù)測方式使用，”歐文說。“所以我們可以用它來搜索可能有趣的缺陷和交互。”

對于像ZnSe這樣的光學材料，改變材料吸收或發(fā)光的方式可以讓研究人員將其用于可以在更高溫度下運行的量子應(yīng)用中，因為某些缺陷對高溫不那么敏感。

“除了重新審視像ZnSe這樣的半導(dǎo)體在量子應(yīng)用中的潛在用途之外，這項工作的更廣泛意義是最令人興奮的部分，”歐文說。“這是推動我們朝著更大目標邁進的基礎(chǔ)部分：使用預(yù)測技術(shù)有效地識別缺陷以及對使用該技術(shù)產(chǎn)生的這些材料的基本理解。”

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