Halvledare, en klass av material som kan fungera som både elektrisk ledare och isolator beroende på omständigheterna, är grundläggande för modern elektronik. Kisel är den mest använda halvledaren, men under de senaste åren, forskare har studerat ett större utbud av material, inklusive molekyler som kan skräddarsys för att tillgodose specifika elektroniska behov.

Superdatorer är oumbärliga forskningsverktyg för att studera komplexa halvledande material på en grundläggande nivå. Nyligen, ett team av forskare vid TU Dresden använde SuperMUC -superdatorn vid Leibniz Supercomputing Center för att förfina sin metod för att studera organiska halvledare. Teamet använder en metod som kallas halvledardopning, en process där föroreningar avsiktligt införs i ett material för att ge det specifika halvledande egenskaper. Det publicerade nyligen sina resultat i Naturmaterial .

"Organiska halvledare börjar bli vana i nya enhetskoncept, "sa teamledaren Dr Frank Ortmann." Några av dessa finns redan på marknaden, men vissa begränsas fortfarande av deras ineffektivitet. Vi undersöker dopningsmekanismer, en nyckelteknologi för att ställa in halvledaregenskaper, att förstå dessa halvledares begränsningar och respektive effektivitet. "

Att ändra materialets fysiska egenskaper ändrar också dess elektroniska egenskaper. Små förändringar i materialmakeup kan leda till stora förändringar i materialets egenskaper - i vissa fall en liten atomförändring kan leda till en 1000-faldig förändring av elektrisk konduktivitet.

Även om förändringar i materialegenskaper kan vara stora, de underliggande krafterna som utövas på atomer och molekyler och som styr deras interaktioner är i allmänhet svaga och korta sträckor (vilket innebär att molekylerna och atomerna som de består av måste vara nära varandra). För att förstå förändringar i egenskaper, forskare måste exakt beräkna atom- och molekylära interaktioner samt elektronernas densitet och hur de överförs mellan molekyler.

Att introducera specifika atomer eller molekyler till ett material kan ändra dess ledande egenskaper på en hyperlokal nivå. Detta gör att en transistor tillverkad av dopat material kan tjäna olika roller inom elektronik, inklusive routningsströmmar för att utföra operationer baserade på komplexa kretsar eller förstärkande ström för att producera ljud i en gitarrförstärkare eller radio.

Kvantlagar styr interatomiska och intermolekylära interaktioner, i huvudsak hålla ihop material, och strukturera världen som vi känner den. I teamets arbete, dessa komplexa interaktioner måste beräknas för individuella atomiska interaktioner, inklusive interaktioner mellan halvledar "värd" -molekyler och dopningsmolekyler i större skala.

Teamet använder densitetsfunktionell teori (DFT), en beräkningsmetod som kan modellera elektroniska densiteter och egenskaper under en kemisk interaktion, att effektivt förutsäga olika komplexa interaktioner. Det samarbetar sedan med experimentalister från TU Dresden och Institute for Molecular Science i Okazaki, Japan för att jämföra sina simuleringar med spektroskopi -experiment.

"Elektrisk konduktivitet kan komma från många dopningsmedel och är en egenskap som framträder i en mycket större längdskala än bara interatomiska krafter, "Ortmann sa." Simulering av denna process kräver mer sofistikerade transportmodeller, som bara kan implementeras på högpresterande datorkonstruktioner (HPC). "

För att testa sin beräkningsmetod, teamet simulerade material som redan hade bra experimentella datamängder samt industriella applikationer. Forskarna fokuserade först på C60, även känd som Buckminsterfullerene.

Buckminsterfullerene används i flera applikationer, inklusive solceller. Molekylens struktur liknar den för en fotboll - ett sfäriskt arrangemang av kolatomer arrangerade i femkantiga och sexkantiga mönster med en storlek mindre än en nanometer. Dessutom, forskarna simulerade zinkftalocyanin (ZnPc), en annan molekyl som används i solceller, men till skillnad från C60, har en platt form och innehåller en metallatom (zink).

Som dopning, laget använde först en välstuderad molekyl som heter 2-Cyc-DMBI (2-cyklohexyl-dimetylbensimidazolin). 2-Cyc-DMBI anses vara ett n-dopant, vilket betyder att den kan ge sina överskottselektroner till halvledaren för att öka dess konduktivitet. N-dopanter är relativt sällsynta, eftersom få molekyler är "villiga" att ge bort en elektron. I de flesta fallen, molekyler som gör det blir instabila och bryts ner under kemiska reaktioner, vilket kan leda till fel på en elektronisk enhet. Men 2-Cyc-DMBI dopanter är undantaget, eftersom de kan vara tillräckligt svagt attraktiva för elektroner - så att de kan röra sig över långa avstånd - samtidigt som de förblir stabila efter att ha donerat dem.

Teamet fick god överensstämmelse mellan dess simuleringar och experimentella observationer av samma molekyl-dopant-interaktioner. Detta indikerar att de kan lita på simulering för att styra förutsägelser när de relaterar till dopningsprocessen för halvledare. De arbetar nu med mer komplexa molekyler och dopningsmedel med samma metoder.

Trots dessa framsteg, teamet inser att nästa generations superdatorer som SuperMUC-NG-som meddelades i december 2017 och som ska installeras 2018-kommer att hjälpa forskarna att utöka omfattningen av sina simuleringar, vilket leder till allt större effektivitetsvinster i en mängd olika elektroniska applikationer.

"Vi måste pressa noggrannheten i våra simuleringar till det maximala, "Ortmann sa." Detta skulle hjälpa oss att utöka tillämpningsområdet och tillåta oss att mer exakt simulera en bredare uppsättning material eller större system med fler atomer. "

Ortmann noterade också att medan nuvarande generations system tillät laget att få insikter i specifika situationer och bevisa sitt koncept, det finns fortfarande utrymme att bli bättre. "Vi är ofta begränsade av systemminne eller CPU -effekt, "sa han." Systemstorleken och simuleringens noggrannhet konkurrerar i huvudsak om datorkraft, det är därför det är viktigt att ha tillgång till bättre superdatorer. Superdatorer är perfekt lämpade för att leverera svar på dessa problem på en realistisk tid. "