Pesquisadores da North Carolina State University usaram análise computacional para prever como as propriedades ópticas do material semicondutor seleneto de zinco (ZnSe) mudam quando dopadas com elementos de halogênio e descobriram que as previsões foram confirmadas por resultados experimentais. Seu método pode acelerar o processo de identificação e criação de materiais úteis em aplicações quânticas.
Criar semicondutores com propriedades desejáveis significa tirar vantagem de defeitos pontuais – locais dentro de um material onde um átomo pode estar faltando ou onde há impurezas. Ao manipular esses locais no material, muitas vezes adicionando diferentes elementos (um processo conhecido como “doping”), os designers podem obter propriedades diferentes.
“Os defeitos são inevitáveis, mesmo em materiais ‘puros'”, diz Doug Irving, professor universitário e professor de ciência e engenharia de materiais na NC State. “Queremos interagir com esses espaços via dopagem para alterar certas propriedades de um material. Mas descobrir quais elementos usar na dopagem é demorado e trabalhoso. Se pudéssemos usar um modelo de computador para prever esses resultados, isso permitiria que os engenheiros de materiais foco em elementos com o melhor potencial.”
Em um estudo de prova de princípio, Irving e sua equipe usaram análise computacional para prever o resultado do uso de elementos de halogênio cloro e flúor como dopantes de ZnSe. Eles escolheram esses elementos porque o ZnSe dopado com halogênio foi extensivamente estudado, mas a química do defeito subjacente não está bem estabelecida.
O modelo analisou todas as combinações possíveis para cloro e flúor nos locais de defeito e previu corretamente os resultados, como propriedades eletrônicas e ópticas, energia de ionização e emissão de luz do ZnSe dopado.
“Ao observar as propriedades eletrônicas e ópticas de defeitos em um material conhecido, pudemos estabelecer que essa abordagem pode ser usada de maneira preditiva”, diz Irving. “Para que possamos usá-lo para procurar defeitos e interações que possam ser interessantes.”
No caso de um material óptico como o ZnSe, mudar a forma como o material absorve ou emite luz poderia permitir que os pesquisadores o utilizassem em aplicações quânticas que poderiam operar em temperaturas mais altas, já que certos defeitos não seriam tão sensíveis a temperaturas elevadas.
“Além de revisitar um semicondutor como o ZnSe para uso potencial em aplicações quânticas, as implicações mais amplas deste trabalho são as partes mais interessantes”, diz Irving. “Esta é uma peça fundamental que nos move em direção a objetivos maiores: usar tecnologia preditiva para identificar defeitos com eficiência e a compreensão fundamental desses materiais que resulta do uso dessa tecnologia”.
A pesquisa aparece no The Journal of Physical Chemistry Letters.
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