Semiconductores, una clase de materiales que puede funcionar como conductor eléctrico y aislante dependiendo de las circunstancias, son fundamentales para la electrónica moderna. El silicio es el semiconductor más utilizado, pero en los últimos años, Los investigadores han estudiado una mayor variedad de materiales, incluidas moléculas que se pueden adaptar para satisfacer necesidades electrónicas específicas.

Las supercomputadoras son herramientas de investigación indispensables para estudiar materiales semiconductores complejos a un nivel fundamental. Recientemente, Un equipo de científicos de TU Dresden utilizó la supercomputadora SuperMUC en el Centro de Supercomputación de Leibniz para perfeccionar su método de estudio de semiconductores orgánicos. El equipo utiliza un enfoque llamado dopaje de semiconductores, un proceso en el que las impurezas se introducen intencionalmente en un material para darle propiedades semiconductoras específicas. Recientemente publicó sus resultados en Materiales de la naturaleza .

"Los semiconductores orgánicos están comenzando a utilizarse en nuevos conceptos de dispositivos, ", dijo el líder del equipo, el Dr. Frank Ortmann." Algunos de estos ya están en el mercado, pero algunos todavía están limitados por su ineficacia. Estamos investigando mecanismos de dopaje, una tecnología clave para ajustar las propiedades de los semiconductores, para comprender las limitaciones de estos semiconductores y sus respectivas eficiencias ".

Cambiar las propiedades físicas de un material también cambia sus propiedades electrónicas. Pequeños cambios en la composición del material pueden provocar grandes cambios en las características de un material; en ciertos casos, una ligera alteración atómica puede conducir a un cambio de 1000 veces en la conductividad eléctrica.

Si bien los cambios en las propiedades del material pueden ser grandes, las fuerzas subyacentes ejercidas sobre los átomos y moléculas y que gobiernan sus interacciones son generalmente débiles y de corto alcance (lo que significa que las moléculas y los átomos de los que están compuestos deben estar muy juntos). Para comprender los cambios en las propiedades, los investigadores deben calcular con precisión las interacciones atómicas y moleculares, así como las densidades de electrones y cómo se transfieren entre moléculas.

La introducción de átomos o moléculas específicos en un material puede cambiar sus propiedades conductoras a nivel hiperlocal. Esto permite que un transistor hecho de material dopado sirva para una variedad de funciones en la electrónica, incluyendo corrientes de enrutamiento para realizar operaciones basadas en circuitos complejos o corriente de amplificación para ayudar a producir sonido en un amplificador de guitarra o radio.

Las leyes cuánticas gobiernan las interacciones interatómicas e intermoleculares, en esencia, manteniendo el material junto, y estructurar el mundo tal como lo conocemos. En el trabajo del equipo, estas interacciones complejas deben calcularse para interacciones atómicas individuales, incluyendo interacciones entre moléculas semiconductoras "hospedadoras" y moléculas dopantes a mayor escala.

El equipo utiliza la teoría funcional de la densidad (DFT), un método computacional que puede modelar densidades y propiedades electrónicas durante una interacción química, para predecir eficientemente la variedad de interacciones complejas. Luego colabora con experimentadores de TU Dresden y el Instituto de Ciencia Molecular en Okazaki, Japón para comparar sus simulaciones con experimentos de espectroscopia.

"La conductividad eléctrica puede provenir de muchos dopantes y es una propiedad que surge en una escala de longitud mucho mayor que las fuerzas interatómicas, ", Dijo Ortmann." Simular este proceso necesita modelos de transporte más sofisticados, que solo se puede implementar en arquitecturas de computación de alto rendimiento (HPC) ".

Para probar su enfoque computacional, el equipo simuló materiales que ya tenían buenos conjuntos de datos experimentales, así como aplicaciones industriales. Los investigadores se centraron primero en C60, también conocido como Buckminsterfullerene.

El buckminsterfullereno se utiliza en varias aplicaciones, incluidas las células solares. La estructura de la molécula es similar a la de un balón de fútbol:una disposición esférica de átomos de carbono dispuestos en patrones pentagonales y hexagonales del tamaño de menos de un nanómetro. Además, los investigadores simularon ftalocianina de zinc (ZnPc), otra molécula que se utiliza en fotovoltaica, pero a diferencia de C60, tiene forma plana y contiene un átomo metálico (zinc).

Como dopante, el equipo utilizó por primera vez una molécula bien estudiada llamada 2-Cyc-DMBI (2-ciclohexil-dimetilbencimidazolina). 2-Cyc-DMBI se considera un n-dopante, lo que significa que puede proporcionar sus electrones excedentes al semiconductor para aumentar su conductividad. Los N-dopantes son relativamente raros, ya que pocas moléculas están "dispuestas" a ceder un electrón. En la mayoría de los casos, las moléculas que lo hacen se vuelven inestables y se degradan durante las reacciones químicas, lo que puede provocar una falla en el dispositivo electrónico. Pero los dopantes 2-Cyc-DMBI son la excepción, porque pueden ser lo suficientemente débilmente atractivos para los electrones, lo que les permite moverse a largas distancias, mientras que también permanecen estables después de donarlos.

El equipo logró un buen acuerdo entre sus simulaciones y las observaciones experimentales de las mismas interacciones molécula-dopante. Esto indica que pueden confiar en la simulación para guiar las predicciones en lo que respecta al proceso de dopaje de semiconductores. Ahora están trabajando en moléculas y dopantes más complejos utilizando los mismos métodos.

A pesar de estos avances, El equipo reconoce que las supercomputadoras de próxima generación como SuperMUC-NG, anunciadas en diciembre de 2017 y que se instalarán en 2018, ayudarán a los investigadores a ampliar el alcance de sus simulaciones. conduciendo a ganancias de eficiencia cada vez mayores en una variedad de aplicaciones electrónicas.

"Necesitamos llevar la precisión de nuestras simulaciones al máximo, Ortmann dijo:"Esto nos ayudaría a ampliar el rango de aplicabilidad y nos permitiría simular con mayor precisión un conjunto más amplio de materiales o sistemas más grandes de más átomos".

Ortmann también señaló que, si bien los sistemas de la generación actual permitieron al equipo obtener conocimientos en situaciones específicas y probar su concepto, todavía hay espacio para mejorar. "A menudo estamos limitados por la memoria del sistema o la potencia de la CPU, ", dijo." El tamaño del sistema y la precisión de la simulación compiten esencialmente por la potencia informática, por eso es importante tener acceso a mejores supercomputadoras. Las supercomputadoras están perfectamente adaptadas para ofrecer respuestas a estos problemas en un período de tiempo realista ".