semiconduttori, una classe di materiali che può fungere sia da conduttore elettrico che da isolante a seconda delle circostanze, sono fondamentali per l'elettronica moderna. Il silicio è il semiconduttore più utilizzato, ma negli ultimi anni, i ricercatori hanno studiato una gamma più ampia di materiali, comprese molecole che possono essere adattate per soddisfare esigenze elettroniche specifiche.

I supercomputer sono strumenti di ricerca indispensabili per studiare materiali semiconduttori complessi a un livello fondamentale. Recentemente, un team di scienziati della TU di Dresda ha utilizzato il supercomputer SuperMUC presso il Leibniz Supercomputing Center per perfezionare il suo metodo di studio dei semiconduttori organici. Il team utilizza un approccio chiamato doping dei semiconduttori, un processo in cui le impurità vengono introdotte intenzionalmente in un materiale per conferirgli proprietà semiconduttive specifiche. Ha recentemente pubblicato i suoi risultati in Materiali della natura .

"I semiconduttori organici stanno iniziando ad essere utilizzati in nuovi concetti di dispositivi, " ha affermato il capo squadra Dr. Frank Ortmann. "Alcuni di questi sono già sul mercato, ma alcuni sono ancora limitati dalla loro inefficienza. Stiamo ricercando meccanismi di doping, una tecnologia chiave per la regolazione delle proprietà dei semiconduttori, per comprendere i limiti di questi semiconduttori e le rispettive efficienze."

La modifica delle proprietà fisiche di un materiale modifica anche le sue proprietà elettroniche. Piccoli cambiamenti nella composizione del materiale possono portare a grandi cambiamenti nelle caratteristiche di un materiale, in alcuni casi, una leggera alterazione atomica può portare a un cambiamento di 1000 volte nella conduttività elettrica.

Sebbene i cambiamenti nelle proprietà dei materiali possano essere grandi, le forze sottostanti esercitate su atomi e molecole e che governano le loro interazioni sono generalmente deboli ea corto raggio (nel senso che le molecole e gli atomi di cui sono composte devono essere vicini tra loro). Per comprendere i cambiamenti nelle proprietà, i ricercatori devono calcolare accuratamente le interazioni atomiche e molecolari, nonché le densità degli elettroni e il modo in cui vengono trasferiti tra le molecole.

L'introduzione di atomi o molecole specifici in un materiale può modificarne le proprietà conduttive a livello iperlocale. Ciò consente a un transistor realizzato con materiale drogato di svolgere una varietà di ruoli nell'elettronica, compreso il routing delle correnti per eseguire operazioni basate su circuiti complessi o la corrente di amplificazione per aiutare a produrre il suono in un amplificatore per chitarra o in una radio.

Le leggi quantistiche governano le interazioni interatomiche e intermolecolari, in sostanza, tenendo insieme il materiale, e strutturare il mondo come lo conosciamo. Nel lavoro di squadra, queste complesse interazioni devono essere calcolate per le singole interazioni atomiche, comprese le interazioni tra le molecole "ospite" dei semiconduttori e le molecole droganti su scala più ampia.

Il team utilizza la teoria del funzionale della densità (DFT), un metodo computazionale in grado di modellare densità e proprietà elettroniche durante un'interazione chimica, prevedere in modo efficiente la varietà di interazioni complesse. Collabora poi con sperimentalisti della TU Dresden e dell'Institute for Molecular Science di Okazaki, Giappone per confrontare le sue simulazioni con gli esperimenti di spettroscopia.

"La conduttività elettrica può provenire da molti droganti ed è una proprietà che emerge su una scala di lunghezza molto più ampia delle sole forze interatomiche, " Ha detto Ortmann. "La simulazione di questo processo richiede modelli di trasporto più sofisticati, che può essere implementato solo su architetture di calcolo ad alte prestazioni (HPC)".

Per testare il suo approccio computazionale, il team ha simulato materiali che avevano già buoni set di dati sperimentali e applicazioni industriali. I ricercatori si sono inizialmente concentrati su C60, noto anche come Buckminsterfullerene.

Buckminsterfullerene è utilizzato in diverse applicazioni, comprese le celle solari. La struttura della molecola è simile a quella di un pallone da calcio:una disposizione sferica di atomi di carbonio disposti secondo schemi pentagonali ed esagonali delle dimensioni di meno di un nanometro. Inoltre, i ricercatori hanno simulato la zinco ftalocianina (ZnPc), un'altra molecola che viene utilizzata nel fotovoltaico, ma a differenza del C60, ha una forma piatta e contiene un atomo metallico (zinco).

Come drogante, il team ha utilizzato per la prima volta una molecola ben studiata chiamata 2-Cyc-DMBI (2-cicloesil-dimetilbenzimidazolina). 2-Cyc-DMBI è considerato un drogante n, il che significa che può fornire i suoi elettroni in eccesso al semiconduttore per aumentarne la conduttività. Gli N-dopanti sono relativamente rari, poiché poche molecole sono "disposte" a cedere un elettrone. Nella maggior parte dei casi, le molecole che lo fanno diventano instabili e si degradano durante le reazioni chimiche, che può portare a un guasto del dispositivo elettronico. Ma i droganti 2-Cyc-DMBI sono l'eccezione, perché possono essere sufficientemente attraenti per gli elettroni, permettendo loro di spostarsi su lunghe distanze, pur rimanendo stabili dopo averli donati.

Il team ha ottenuto un buon accordo tra le sue simulazioni e le osservazioni sperimentali delle stesse interazioni molecola-drogante. Ciò indica che possono fare affidamento sulla simulazione per guidare le previsioni in relazione al processo di drogaggio dei semiconduttori. Ora stanno lavorando su molecole e droganti più complessi utilizzando gli stessi metodi.

Nonostante questi progressi, il team riconosce che i supercomputer di prossima generazione come SuperMUC-NG, annunciato a dicembre 2017 e la cui installazione è prevista per il 2018, aiuteranno i ricercatori ad ampliare la portata delle loro simulazioni, portando a guadagni di efficienza sempre maggiori in una varietà di applicazioni elettroniche.

"Dobbiamo spingere al massimo la precisione delle nostre simulazioni, " Ha detto Ortmann. "Questo ci aiuterebbe a estendere la gamma di applicabilità e ci consentirebbe di simulare in modo più preciso un insieme più ampio di materiali o sistemi più grandi di più atomi".

Ortmann ha anche notato che mentre i sistemi di ultima generazione hanno permesso al team di acquisire informazioni in situazioni specifiche e dimostrare il suo concetto, c'è ancora spazio per migliorare. "Siamo spesso limitati dalla memoria di sistema o dalla potenza della CPU, " ha detto. "Le dimensioni del sistema e l'accuratezza della simulazione sono essenzialmente in competizione per la potenza di calcolo, ecco perché è importante avere accesso a supercomputer migliori. I supercomputer sono perfettamente adatti a fornire risposte a questi problemi in un lasso di tempo realistico".