Simulering og eksperiment hjælper forskere med at studere næste generations halvledere

Halvledere, en klasse af materialer, der kan fungere som både elektrisk leder og isolator afhængigt af omstændighederne, er grundlæggende for moderne elektronik. Silicium er den mest udbredte halvleder, men i de senere år, forskere har studeret et større udvalg af materialer, herunder molekyler, der kan skræddersyes til at tjene specifikke elektroniske behov.

Supercomputere er uundværlige forskningsværktøjer til at studere komplekse halvledende materialer på et grundlæggende niveau. For nylig, et team af forskere ved TU Dresden brugte SuperMUC-supercomputeren på Leibniz Supercomputing Center til at forfine sin metode til at studere organiske halvledere. Holdet bruger en tilgang kaldet halvlederdoping, en proces, hvor urenheder med vilje indføres i et materiale for at give det specifikke halvledende egenskaber. Det har for nylig offentliggjort sine resultater i Naturmaterialer .

"Organiske halvledere begynder at blive brugt i nye enhedskoncepter, " sagde teamleder Dr. Frank Ortmann. "Nogle af disse er allerede på markedet, men nogle er stadig begrænset af deres ineffektivitet. Vi forsker i dopingmekanismer, en nøgleteknologi til tuning af halvlederegenskaber, at forstå disse halvlederes begrænsninger og respektive effektiviteter."

Ændring af et materiales fysiske egenskaber ændrer også dets elektroniske egenskaber. Små ændringer i materialesammensætning kan føre til store ændringer i et materiales egenskaber - i visse tilfælde, en lille atomændring kan føre til en 1000 gange ændring i elektrisk ledningsevne.

Mens ændringer i materialeegenskaber kan være store, de underliggende kræfter, der udøves på atomer og molekyler og styrer deres interaktioner, er generelt svage og kortrækkende (hvilket betyder, at molekylerne og atomerne, som de er sammensat af, skal være tæt sammen). For at forstå ændringer i egenskaber, forskere skal nøjagtigt beregne atomare og molekylære interaktioner samt tæthederne af elektroner og hvordan de overføres mellem molekyler.

Introduktion af specifikke atomer eller molekyler til et materiale kan ændre dets ledende egenskaber på et hyperlokalt niveau. Dette gør det muligt for en transistor lavet af doteret materiale at tjene en række forskellige roller i elektronik, herunder routing af strømme til at udføre operationer baseret på komplekse kredsløb eller forstærkning af strøm for at hjælpe med at producere lyd i en guitarforstærker eller radio.

Kvantelove styrer interatomiske og intermolekylære interaktioner, i det væsentlige holde materiale sammen, og strukturere verden, som vi kender den. I teamets arbejde, disse komplekse interaktioner skal beregnes for individuelle atomare interaktioner, herunder interaktioner mellem halvleder-"værts"-molekyler og dopingmolekyler i større skala.

Holdet bruger tæthedsfunktionel teori (DFT), en beregningsmetode, der kan modellere elektroniske tætheder og egenskaber under en kemisk interaktion, til effektivt at forudsige mangfoldigheden af ​​komplekse interaktioner. Det samarbejder derefter med eksperimenter fra TU Dresden og Institute for Molecular Science i Okazaki, Japan for at sammenligne sine simuleringer med spektroskopiske eksperimenter.

"Elektrisk ledningsevne kan komme fra mange dopingstoffer og er en egenskab, der opstår på en meget større længdeskala end blot interatomiske kræfter, " sagde Ortmann. "Simulering af denne proces kræver mere sofistikerede transportmodeller, som kun kan implementeres på high-performance computing (HPC) arkitekturer."

For at teste dens beregningsmæssige tilgang, holdet simulerede materialer, der allerede havde gode eksperimentelle datasæt såvel som industrielle applikationer. Forskerne fokuserede først på C60, også kendt som Buckminsterfulleren.

Buckminsterfulleren bruges i flere applikationer, herunder solceller. Molekylets struktur ligner den for en fodbold - et sfærisk arrangement af kulstofatomer arrangeret i femkantede og sekskantede mønstre på størrelse med mindre end en nanometer. Ud over, forskerne simulerede zinkphthalocyanin (ZnPc), et andet molekyle, der bruges i fotovoltaik, men i modsætning til C60, har en flad form og indeholder et metallisk atom (zink).

Som dopingmiddel, holdet brugte først et velundersøgt molekyle kaldet 2-Cyc-DMBI (2-cyclohexyl-dimethylbenzimidazolin). 2-Cyc-DMBI betragtes som en n-dotant, hvilket betyder, at den kan levere sine overskydende elektroner til halvlederen for at øge dens ledningsevne. N-dopanter er relativt sjældne, da få molekyler er "villige" til at afgive en elektron. I de fleste tilfælde, molekyler, der gør det, bliver ustabile og nedbrydes under kemiske reaktioner, hvilket kan føre til en elektronisk enhedsfejl. Men 2-Cyc-DMBI dopingmidler er undtagelsen, fordi de kan være tilstrækkeligt svagt attraktive for elektroner – så de kan bevæge sig over lange afstande – mens de også forbliver stabile efter at have doneret dem.

Holdet fik god overensstemmelse mellem dets simuleringer og eksperimentelle observationer af de samme molekyle-doteringsinteraktioner. Dette indikerer, at de kan stole på simulering til at vejlede forudsigelser, når de relaterer til dopingprocessen af ​​halvledere. De arbejder nu på mere komplekse molekyler og dopingmidler ved hjælp af de samme metoder.

På trods af disse fremskridt, holdet anerkender, at næste generations supercomputere såsom SuperMUC-NG - annonceret i december 2017 og indstillet til at blive installeret i 2018 - vil hjælpe forskerne med at udvide omfanget af deres simuleringer, fører til stadig større effektivitetsgevinster i en række elektroniske applikationer.

"Vi skal presse nøjagtigheden af ​​vores simuleringer til det maksimale, " sagde Ortmann. "Dette ville hjælpe os med at udvide rækkevidden af ​​anvendelighed og give os mulighed for mere præcist at simulere et bredere sæt af materialer eller større systemer med flere atomer."

Ortmann bemærkede også, at mens nuværende generations systemer tillod holdet at få indsigt i specifikke situationer og bevise sit koncept, der er stadig plads til at blive bedre. "Vi er ofte begrænset af systemhukommelse eller CPU-kraft, " sagde han. "Systemstørrelsen og simuleringens nøjagtighed konkurrerer i det væsentlige om computerkraft, derfor er det vigtigt at have adgang til bedre supercomputere. Supercomputere er perfekt egnede til at levere svar på disse problemer på en realistisk tid."