En ny metode til at studere polaroner i isolatorer og halvledere

Et team af forskere ved University of Oxford har for nylig introduceret en ny måde at modellere polaroner på, en kvasipartikel, der typisk bruges af fysikere til at forstå interaktioner mellem elektroner og atomer i faste materialer. Deres metode, præsenteret i et papir offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , kombinerer teoretisk modellering med beregningssimuleringer, muliggør dybdegående observationer af disse kvasipartikler i en lang række materialer.

I det væsentlige, en polaron er en sammensat partikel bestående af en elektron omgivet af en sky af fononer (dvs. gittervibrationer). Denne kvasipartikel er tungere end selve elektronen, og på grund af dens betydelige vægt kan den nogle gange blive fanget i et krystalgitter.

Polaroner bidrager til den elektriske strøm, der driver adskillige teknologiske værktøjer, inklusive organiske lysemitterende dioder og touchskærme. At forstå deres egenskaber er derfor af afgørende betydning, da det kunne være med til at udvikle den næste generation af forskellige enheder til belysning og optoelektronik.

"Tidligere arbejde med polaroner var baseret på idealiserede matematiske modeller, "Prof. Feliciano Giustino, lederen af ​​det team, der udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Disse modeller har været meget nyttige til at forstå de grundlæggende egenskaber ved polaroner, men de tager ikke højde for strukturen af ​​materialer på atomær skala, derfor er de ikke tilstrækkelige, når vi forsøger at studere virkelige materialer til praktiske anvendelser. Vores idé var at udvikle en beregningsmetode, der ville muliggøre systematiske undersøgelser af polaroner med forudsigelig nøjagtighed. "

Metoden udviklet af Giustinos team er baseret på densitet-funktionelle teori, som i øjeblikket er det mest populære værktøj til prædiktiv materialemodellering og design ved brug af kvantemekanik. En af de primære udfordringer, man støder på, når man studerer polaroner baseret på denne teori, er, at de nødvendige beregningsressourcer (CPU-timer) er proportionale med tredje potens af antallet af atomer, der skal simuleres. Med andre ord, hvis man studerede to krystaller med 10 og 20 atomer pr. enhedscelle, den beregning, der kræves for at studere den anden krystal, ville være 8 gange mere tidskrævende end den, der kræves for den første.

Da mange polaroner er 1-2 nanometer i størrelse, beregninger for at studere disse systemer ville kræve simuleringsceller med mindst 3, 000-5, 000 atomer. Men de nuværende beregningsmuligheder ville kæmpe for at opretholde sådanne simuleringer, og hver af de mange beregninger, der er nødvendige for at undersøge disse systemer, ville tage uger, selv når du bruger en moderne supercomputer.

"Vores idé var at forsøge at gøre denne proces mere effektiv ved at udnytte fremskridt inden for såkaldt tæthedsfunktionel forstyrrelsesteori, "Weng Hong Sio, den første forfatter til værket, forklaret. "Uden at gå ind på detaljerne, vi var i stand til at omforme problemet med at udføre en beregning af en polaron i en stor simuleringscelle til det enklere problem med at udføre flere beregninger i den mindste enhedscelle i krystallen. Denne strategi åbnede op for nye muligheder, som tidligere var utilgængelige."

Den tilgang, som Giustinos team har udtænkt, kan bruges til at beskrive både store og små polaroner. I deres undersøgelse, for eksempel, forskerne viste, hvordan det kan bruges til at beregne bølgefunktionerne, dannelsesenergier og spektral nedbrydning af polaroner i LiF og Li ₂ O ₂ forbindelser. Ved at bruge deres simuleringsmetode, de opdagede, at polaroner i simple salte og metaloxider, der bruges i batterier, har en langt rigere indre struktur end foreslået af tidligere værker på området.

"For eksempel, i det prototypiske salt lithiumfluorid, man troede tidligere, at polaronen stammer fra interaktionen mellem en elektron og longitidinale optiske fononer, dvs. gittervibrationerne, der er ansvarlige for krystallens dielektriske respons, " Sio forklarede. "Vi fandt ud af, at disse ikke er de eneste fononer involveret, og at interaktionen mellem elektronen og de piezoakustiske fononer (dvs. de vibrationer, der er ansvarlige for piezoelektricitet) også er vigtig."

Observationerne indsamlet af Giustinos hold ændrer det nuværende perspektiv på polaronerne i salt lithium fourid, hvilket er et meget simpelt system. Anvendelse af deres metode til mere komplekse systemer kunne afsløre endnu rigere strukturer, i sidste ende forbedre vores nuværende forståelse af deres egenskaber og informere udviklingen af ​​nye materialer med skræddersyede polatroniske egenskaber. I deres fremtidige forskning, forskerne planlægger at bruge deres metode til at studere andre materialer, for yderligere at vurdere dens forudsigelsesevne og opnå en bedre forståelse af andre teknologisk vigtige materialer.

"Længere nede på linjen vil det være vigtigt at undersøge, hvad en polaron kan:for nu ved vi, at vi kan beregne den laveste energikonfiguration af et polaron, men vi har ingen anelse om, hvad der sker, hvis denne polaron udsættes for statiske elektriske eller magnetiske felter eller for elektromagnetisk stråling, " sagde Giustino. "Desuden, tætte interaktioner med eksperimentelle grupper vil være afgørende for at omsætte disse resultater til applikationer."

© 2019 Science X Network