Halfgeleiders, een klasse materialen die, afhankelijk van de omstandigheden, zowel als elektrische geleider als als isolator kan fungeren, zijn fundamenteel voor moderne elektronica. Silicium is de meest gebruikte halfgeleider, maar de laatste jaren onderzoekers hebben een groter scala aan materialen bestudeerd, inclusief moleculen die kunnen worden aangepast aan specifieke elektronische behoeften.

Supercomputers zijn onmisbare onderzoeksinstrumenten om complexe halfgeleidende materialen op fundamenteel niveau te bestuderen. Onlangs, een team van wetenschappers van de TU Dresden gebruikte de SuperMUC-supercomputer in het Leibniz Supercomputing Center om zijn methode voor het bestuderen van organische halfgeleiders te verfijnen. Het team gebruikt een benadering die halfgeleiderdoping wordt genoemd, een proces waarbij onzuiverheden opzettelijk in een materiaal worden geïntroduceerd om het specifieke halfgeleidende eigenschappen te geven. Het publiceerde onlangs zijn resultaten in Natuurmaterialen .

"Organische halfgeleiders beginnen te worden gebruikt in nieuwe apparaatconcepten, " zei teamleider Dr. Frank Ortmann. "Sommige hiervan zijn al op de markt, maar sommige worden nog steeds beperkt door hun inefficiëntie. We doen onderzoek naar dopingmechanismen, een sleuteltechnologie voor het afstemmen van halfgeleidereigenschappen, om de beperkingen en respectievelijke efficiënties van deze halfgeleiders te begrijpen."

Het veranderen van de fysieke eigenschappen van een materiaal verandert ook de elektronische eigenschappen. Kleine veranderingen in de samenstelling van het materiaal kunnen leiden tot grote veranderingen in de eigenschappen van een materiaal - in bepaalde gevallen kunnen een kleine atomaire verandering kan leiden tot een 1000-voudige verandering in elektrische geleidbaarheid.

Hoewel veranderingen in materiaaleigenschappen groot kunnen zijn, de onderliggende krachten die op atomen en moleculen worden uitgeoefend en hun interacties beheersen, zijn over het algemeen zwak en van korte afstand (wat betekent dat de moleculen en de atomen waaruit ze zijn samengesteld dicht bij elkaar moeten liggen). Om veranderingen in eigenschappen te begrijpen, onderzoekers moeten atomaire en moleculaire interacties nauwkeurig berekenen, evenals de dichtheden van elektronen en hoe ze tussen moleculen worden overgedragen.

Het introduceren van specifieke atomen of moleculen in een materiaal kan de geleidende eigenschappen op hyperlokaal niveau veranderen. Hierdoor kan een transistor gemaakt van gedoteerd materiaal verschillende rollen vervullen in de elektronica, inclusief routeringsstromen om bewerkingen uit te voeren op basis van complexe circuits of stroomversterking om geluid te helpen produceren in een gitaarversterker of radio.

Kwantumwetten regelen interatomaire en intermoleculaire interacties, in wezen materiaal bij elkaar houden, en het structureren van de wereld zoals wij die kennen. In het werk van het team deze complexe interacties moeten worden berekend voor individuele atomaire interacties, waaronder interacties tussen halfgeleider-"gastheer"-moleculen en doteringsmoleculen op grotere schaal.

Het team gebruikt densiteitsfunctionaaltheorie (DFT), een computationele methode die elektronische dichtheden en eigenschappen kan modelleren tijdens een chemische interactie, om de verscheidenheid aan complexe interacties efficiënt te voorspellen. Vervolgens werkt het samen met experimentatoren van de TU Dresden en het Institute for Molecular Science in Okazaki, Japan om zijn simulaties te vergelijken met spectroscopie-experimenten.

"Elektrische geleidbaarheid kan van veel doteermiddelen komen en is een eigenschap die op een veel grotere lengteschaal naar voren komt dan alleen interatomaire krachten, "Zei Ortmann. "Het simuleren van dit proces vereist meer geavanceerde transportmodellen, die alleen kan worden geïmplementeerd op high-performance computing (HPC) architecturen."

Om de computationele benadering te testen, het team simuleerde materialen die al goede experimentele datasets hadden, evenals industriële toepassingen. De onderzoekers richtten zich eerst op C60, ook bekend als Buckminsterfullereen.

Buckminsterfullereen wordt in verschillende toepassingen gebruikt, inclusief zonnecellen. De structuur van het molecuul is vergelijkbaar met die van een voetbal:een bolvormige opstelling van koolstofatomen gerangschikt in vijfhoekige en zeshoekige patronen ter grootte van minder dan een nanometer. In aanvulling, de onderzoekers simuleerden zinkftalocyanine (ZnPc), een ander molecuul dat wordt gebruikt in fotovoltaïsche energie, maar in tegenstelling tot C60, heeft een platte vorm en bevat een metaalatoom (zink).

Als een doteringsmiddel, het team gebruikte eerst een goed bestudeerd molecuul genaamd 2-Cyc-DMBI (2-cyclohexyl-dimethylbenzimidazoline). 2-Cyc-DMBI wordt beschouwd als een n-dotering, wat betekent dat het zijn overtollige elektronen aan de halfgeleider kan leveren om zijn geleidbaarheid te vergroten. N-doteringsmiddelen zijn relatief zeldzaam, omdat maar weinig moleculen "bereid" zijn om een ​​elektron weg te geven. In de meeste gevallen, moleculen die dat wel doen worden onstabiel en degraderen tijdens chemische reacties, wat kan leiden tot een storing in het elektronische apparaat. Maar 2-Cyc-DMBI doteringsmiddelen zijn de uitzondering, omdat ze voldoende zwak aantrekkelijk kunnen zijn voor elektronen - waardoor ze zich over lange afstanden kunnen verplaatsen - terwijl ze ook stabiel blijven nadat ze zijn gedoneerd.

Het team kreeg goede overeenstemming tussen zijn simulaties en experimentele observaties van dezelfde molecuul-doteringsinteracties. Dit geeft aan dat ze kunnen vertrouwen op simulatie om voorspellingen te sturen met betrekking tot het dopingproces van halfgeleiders. Ze werken nu met dezelfde methoden aan complexere moleculen en doteermiddelen.

Ondanks deze vorderingen, het team erkent dat supercomputers van de volgende generatie zoals SuperMUC-NG - aangekondigd in december 2017 en geïnstalleerd in 2018 - de onderzoekers zullen helpen de reikwijdte van hun simulaties uit te breiden, wat leidt tot steeds grotere efficiëntiewinsten in een verscheidenheid aan elektronische toepassingen.

"We moeten de nauwkeurigheid van onze simulaties tot het maximum pushen, "Zei Ortmann. "Dit zou ons helpen het toepassingsgebied uit te breiden en ons in staat te stellen een bredere reeks materialen of grotere systemen met meer atomen nauwkeuriger te simuleren."

Ortmann merkte ook op dat hoewel systemen van de huidige generatie het team in staat stelden om inzicht te krijgen in specifieke situaties en het concept ervan te bewijzen, er is nog ruimte om beter te worden. "We worden vaak beperkt door systeemgeheugen of CPU-kracht, " zei hij. "De systeemgrootte en de nauwkeurigheid van de simulatie concurreren in wezen om rekenkracht, daarom is het belangrijk om toegang te hebben tot betere supercomputers. Supercomputers zijn bij uitstek geschikt om binnen een realistische tijdsspanne antwoorden op deze problemen te leveren."