圖片為鉛硫族化合物納米粒子與其所嵌入的鎘硫族化合物基質(zhì)之間的矩陣界面的橫截面。當(dāng)它集成到光電元件中時(shí)，在界面處錯(cuò)誤的位置出現(xiàn)單個(gè)原子（由發(fā)光的藍(lán)色表示），將足以影響它們的性能。圖片來(lái)源：Peter Allen，芝加哥大學(xué)分子工程研究所

    如果想要了解一些非常復(fù)雜的東西的性質(zhì)，你必須要研究其最小的部分。例如，在嘗試破譯宇宙奧秘的時(shí)候，我們從大爆炸中尋找引力波或微弱波光。為了了解物質(zhì)自身的性質(zhì)，我們將其分解為亞原子水平，并使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)研究粒子，如夸克和膠子。

    如果想了解具有特定功能的材料，如太陽(yáng)能電池中使用的材料，以及改進(jìn)其性能的工程方法，也會(huì)面臨著許多相同的挑戰(zhàn)。在不斷努力提高太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率的過(guò)程中，研究人員已經(jīng)開(kāi)始深入探究某些情況下的原子能級(jí)，以發(fā)現(xiàn)可能會(huì)破壞轉(zhuǎn)換過(guò)程的物質(zhì)缺陷。

    例如，異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料廣泛用于各種光電元件，包括太陽(yáng)能電池。然而，由于它們的異質(zhì)性，這些材料含有納米尺度的界面，因此會(huì)表現(xiàn)出可能影響這些元件性能的結(jié)構(gòu)缺陷。在實(shí)驗(yàn)中確定出這些缺陷是非常有挑戰(zhàn)性的，所以能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的研究人員團(tuán)隊(duì)決定在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）進(jìn)行一系列原子計(jì)算 ，找出兩種常用的半導(dǎo)體材料—— 硒化鉛（PbSe）和硒化鎘（CdSe）缺陷的根本原因，并提出如何避免缺陷的問(wèn)題。

    “我們有興趣了解量子點(diǎn)和納米結(jié)構(gòu)以及它們對(duì)太陽(yáng)能電池的運(yùn)行情況，”芝加哥大學(xué)分子工程學(xué)家Liew Family教授Giulia Galli以及共同發(fā)表了該論文的另一位作者教授Nano Letters概述了這項(xiàng)工作，他們發(fā)現(xiàn)。“我們正在使用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)和第一原理方法進(jìn)行建模，以了解這些納米顆粒和量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。

    核殼納米顆粒

    對(duì)于PbSe納米顆粒嵌入到CdSe的膠體量子點(diǎn)這項(xiàng)研究，在這種情況下該團(tuán)隊(duì)專注于異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒，其中這種類型的量子點(diǎn)就像一個(gè)蛋，被稱為核 - 殼納米粒子。馬格？沃爾斯，阿貢的Aneesur Rahman研究員和本文的合作者解釋說(shuō)，一個(gè)由一種材料構(gòu)成的”蛋黃“由其他材料組成的”殼“所包圍。

      Vörös說(shuō)，”實(shí)驗(yàn)表明，這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米粒子對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換和薄膜晶體管非常有利“。

    例如，盡管目前實(shí)驗(yàn)室中膠體量子點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換效率在12％左右，”我們的目標(biāo)是預(yù)測(cè)量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)模型超過(guò)12％。“《納米論》的作者，芝加哥分子學(xué)研究所博士后研究學(xué)者Federico Giberti說(shuō)，”如果能達(dá)到20％的效率，那么我們就會(huì)生成一種收益較高的商業(yè)化材料。

    然而，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)， Vörös和Giberti意識(shí)到需要更好地了解納米尺度界面的結(jié)構(gòu)以及原子缺陷是否存在。 因此，他們與Galli一起，開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算策略，來(lái)研究在原子層面上界面結(jié)構(gòu)對(duì)材料光電特性的影響。通過(guò)使用不依賴任何擬合參數(shù)的經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)和第一原理方法，它們的框架允許它們構(gòu)建這些嵌入量子點(diǎn)的計(jì)算模型。

    研究小組利用該模型作為在NERSC進(jìn)行的一系列模擬的基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)ξU和硒化鎘量子點(diǎn)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)在界面處移位的原子及其它們相應(yīng)的電子狀態(tài)，稱為“陷阱狀態(tài)”，該狀態(tài)可能有損太陽(yáng)能電池性能，Giberti解釋說(shuō)。然后他們能夠使用該模型來(lái)預(yù)測(cè)不具有這些陷阱狀態(tài)的新材料，并且可以在太陽(yáng)能電池中表現(xiàn)出更好的性能。

    “通過(guò)使用計(jì)算模式，我們還發(fā)現(xiàn)了一種通過(guò)施加壓力來(lái)調(diào)節(jié)材料的光學(xué)性能的方法，”Giberti補(bǔ)充說(shuō)。

    根據(jù)V?r?s的說(shuō)法，通過(guò)在國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算機(jī)中心使用了四百萬(wàn)個(gè)超級(jí)計(jì)算時(shí)間這項(xiàng)研究包括電子和原子結(jié)構(gòu)的研究 。大部分原子結(jié)構(gòu)計(jì)算都是在2016年安裝的國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算機(jī)中心的30-petaflop系統(tǒng)Cori上運(yùn)行的，盡管他們也使用了Edison系統(tǒng)，即一款帶有Intel Xeon處理器的Cray XC30。雖然計(jì)算不需要大量的處理器，但Giberti指出：“我需要啟動(dòng)許多同時(shí)進(jìn)行的仿真，并且分析所有的數(shù)據(jù)本身就是一項(xiàng)相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”

    展望未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用這一新的計(jì)算框架來(lái)研究其他材料和結(jié)構(gòu)。

    Federico說(shuō)：“我們相信，將我們的原子模型與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，能夠?yàn)榭捎糜诟鞣N半導(dǎo)體系統(tǒng)的異種納米結(jié)構(gòu)材料帶來(lái)預(yù)測(cè)性儀器。我們對(duì)我們工作所可能帶來(lái)的影響感到非常興奮。”

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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