Beregningskemi understøtter forskning i nye halvlederteknologier

Efterhånden som nye metoder er blevet tilgængelige til at forstå og manipulere stof på dets mest fundamentale niveauer, forskere, der arbejder inden for det tværfaglige område af materialevidenskab, har i stigende grad haft succes med at syntetisere nye slags materialer. Ofte er målet for forskere på området at designe materialer, der inkorporerer egenskaber, der kan være nyttige til at udføre specifikke funktioner. Sådanne materialer kan, for eksempel, være mere kemisk stabil eller modstandsdygtig over for fysisk brud, har fordelagtige elektromagnetiske egenskaber, eller reagere på forudsigelige måder på specifikke miljøforhold.

Dr. Ralf Tonner og hans forskningsgruppe ved University of Marburg adresserer udfordringen med at designe funktionelle materialer på en usædvanlig måde - ved at anvende tilgange baseret på beregningskemi. Brug af computerressourcer på High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), et af tre tyske nationale supercomputercentre, der udgør Gauss Center for Supercomputing, Tonner modellerer fænomener, der sker på atom- og subatomær skala for at forstå, hvordan faktorer såsom molekylær struktur, elektroniske egenskaber, kemisk binding, og interaktioner mellem atomer påvirker et materiales adfærd.

"Når du studerer hvordan, for eksempel, et molekyle adsorberer på en overflade, " forklarer Tonner, "Andre videnskabsmænd vil ofte beskrive det fænomen med metoder fra fysik, solid state teori, eller båndstrukturer. Vi tror også, det kan være meget nyttigt at spørge, hvordan ville en kemiker se på, hvad der sker her?" Fra dette perspektiv, Tonner er interesseret i at undersøge, om forståelse af kemiske reaktioner - hvordan atomer bindes sammen til molekyler og reagerer, når de bringes i kontakt med hinanden - kan tilbyde ny og nyttig indsigt.

I en ny publikation i WIREs Computational Molecular Science , Tonner og hans samarbejdspartner Lisa Pecher fremhæver evnen til beregningskemi-tilgange ved hjælp af højtydende databehandling til at afsløre interessante fænomener, der opstår mellem organiske molekyler og overflader. De demonstrerer også mere generelt, hvordan disse interaktioner kan forstås med hensyn til den molekylære og faste tilstand verden. Den viden, de fik, kunne være nyttig til at designe mønstrede overflader, et mål for forskere, der arbejder på den næste generation af mere magtfulde, mere effektive halvledere.

At bringe beregning til kemi

Atomer bindes sammen for at danne molekyler og forbindelser, når de nærmer sig hinanden og derefter handler eller deler elektroner, der kredser om deres kerner. De specifikke involverede atomer, de fysiske former, som molekylerne tager, deres energiske egenskaber, og hvordan de interagerer med andre nærliggende molekyler er alle egenskaber, der giver en forbindelse dens unikke egenskaber. Sådanne karakteristika kan afgøre, om forbindelser sandsynligvis forbliver stabile, eller om spændinger såsom ændringer i temperatur eller tryk kan påvirke deres reaktivitet.

Tonner bruger en beregningsmetode kaldet density functional theory (DFT) til at udforske sådanne karakteristika på kvanteskalaen; det er, på den skala, hvor newtonsk mekanik bliver erstattet af kvantemekanikkens meget fremmed verden (på afstande på mindre end 100 nanometer). DFT bruger information om variationer i tætheden af ​​elektroner i et molekyle - en mængde, der også kan måles eksperimentelt ved hjælp af en meget brugt teknologi kaldet røntgendiffraktion - til at udlede systemets energi. Det her, på tur, gør det muligt for forskerne at udlede interaktioner mellem kerner såvel som interaktioner mellem elektroner og kerner, faktorer, der er afgørende for at forstå kemiske bindinger og reaktioner.

DFT kan give nyttige, selvom statisk, oplysninger om energiprofilerne for de forbindelser, de studerer. For at få en bedre forståelse af, hvordan systemer af molekyler faktisk opfører sig, når de interagerer med en overflade, Tonners gruppe bruger også højtydende databehandling på HLRS til at udføre molekylær dynamiksimuleringer. Her, forskerne ser på, hvordan systemet af molekyler udvikler sig over tid, på niveau med atomer og elektroner og på tidsskalaer af picosekunder (et picosekund er en trilliontedel af et sekund).

Sådanne beregninger bruger typisk 2, 000-3, 000 computerkerner, køre på et problem i en uge, og Tonner er blevet budgetteret med ca. 30 millioner CPU-timer hos HLRS for den nuværende to-årige finansieringscyklus.

"Stigende computerkraft har gjort det muligt for beregningskemi og kvantekemi at beskrive virkelige molekylære systemer. For bare 15 til 20 år siden, mennesker kunne kun se på små molekyler og måtte foretage ret stærke tilnærmelser, " forklarer Tonner. "I de sidste par år, beregningskemien og solid state-teorisamfundene har løst problemet med at parallelisere deres koder til at fungere effektivt på højtydende computersystemer. Efterhånden som supercomputere bliver større, vi forventer at kunne udvikle stadig mere realistiske modeller for eksperimentelle systemer i materialevidenskab."

Mod lysbaserede halvledere

Et område, hvor Tonner i øjeblikket bruger beregningskemi, er at studere måder at forbedre silicium til brug i nye slags halvledere. Dette problem er blevet mere presserende i de senere år, da det er blevet klart, at mikroelektronikindustrien når grænserne for sin evne til at forbedre halvledere ved hjælp af silicium alene.

Som Tonner og eksperimentelle kolleger rapporterer i et nyligt papir i Beilstein Journal of Organic Chemisty, funktionalisering af silicium med forbindelser som galliumphosphid (GaP) eller galliumarsenid (GaAs) kunne muliggøre design af nye slags halvledere. Denne forskning, baseret på et felt kaldet siliciumfotonik, hævder, at sådanne nye materialer ville gøre det muligt at bruge lys i stedet for elektroner til signaltransport, støtte udviklingen af ​​forbedret elektronisk udstyr.

"At gøre dette, " forklarer Tonner, "vi har virkelig brug for at forstå, hvordan grænsefladerne mellem silicium og disse organiske forbindelser ser ud og opfører sig. Reaktionen mellem disse to materialeklasser skal forløbe på en meget kontrolleret måde, så grænsefladen er så perfekt som muligt. Med beregningskemi kan vi se ud ved de elementære detaljer i disse interaktioner og processer."

For eksempel, at dække en plade af silicium, flydende forstadiemolekyler for de bestående atomer i galliumarsenid placeres i en bobler, hvor de så bringes ind i gasfasen. Disse forløbermolekyler er sammensat af de atomer, der kræves til det nye materiale (gallium, arsen) og ioner eller molekyler kaldet ligander for at stabilisere dem i væske- og gasfasen. Disse ligander går efterfølgende tabt i aflejringsprocessen, og når silicium anbringes i systemet, precursor-molekylerne adsorberes på den faste siliciumoverflade. Efter adsorption og tab af ligander, gallium og arsenid atomer binder til silicium, danner en GaAs-film.

Hvordan atomer er arrangeret, når de adsorberer til en overflade, bestemmes af kemisk binding. Styrken af ​​disse bindinger og tætheden, hvormed GaAs-precursor-molekylerne adsorberes, påvirkes ikke kun af afstanden mellem dem og siliciumoverfladen, men også af interaktioner mellem precursor-molekylerne selv. I én type interaktion, kaldet Pauli frastødning, skyer af elektroner overlapper og afviser hinanden, hvilket får den tilgængelige energi til binding til at falde. I en anden, kaldet attraktiv spredningsinteraktion, ændringer i de elektroniske positioner i et atom får elektroner til at blive omfordelt i andre atomer, bringe elektronbevægelserne i harmoni og sænke energien i det samlede system.

Tidligere har det var blevet foreslået, at frastødende forhold mellem atomer er den vigtigste faktor i at "styre" atomer på plads, når de adsorberer på en overflade. Ved at bruge tæthedsfunktionel teori og se på spændende træk ved, hvordan elektroner er fordelt, forskerne fastslog, at atomernes evne til at styre andre atomer på plads på overfladen også kan skyldes attraktive dispergerende interaktioner.

At opnå en bedre forståelse af disse grundlæggende interaktioner bør hjælpe designere af optisk aktive halvledere til at forbedre adsorptionen af ​​precursormolekylerne på silicium. Det her, på tur, ville gøre det muligt at kombinere lyssignalledning med siliciumbaseret mikroelektronik, samler det bedste fra begge verdener inden for optisk og elektronisk ledning.

For Tonner, at bruge første princips metoder i kemi til materialevidenskabelige applikationer lover meget. "Teori i dag tages meget ofte som et supplement til eksperimentel undersøgelse, " siger han. "Selvom eksperimenter er ekstremt vigtigt, vores ultimative mål er, at teorien skal være forudsigelig på måder, der gør os i stand til at tage de første skridt i første princips-inspireret materialedesign. Jeg ser dette som et langsigtet mål. "