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。當它集成到光電元件中時，在界面處錯誤的位置出現(xiàn)單個原子（由發(fā)光的藍色表示），將足以影響它們的性能。圖片來源：Peter Allen，芝加哥大學分子工程研究所

    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，并使用計算機模擬來研究粒子，如夸克和膠子。

    如果想了解具有特定功能的材料，如太陽能電池中使用的材料，以及改進其性能的工程方法，也會面臨著許多相同的挑戰(zhàn)。在不斷努力提高太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的過程中，研究人員已經(jīng)開始深入探究某些情況下的原子能級，以發(fā)現(xiàn)可能會破壞轉(zhuǎn)換過程的物質(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，因此會表現(xiàn)出可能影響這些元件性能的結(jié)構(gòu)缺陷。在實驗中確定出這些缺陷是非常有挑戰(zhàn)性的，所以能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學的研究人員團隊決定在勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）進行一系列原子計算 ，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題。

    “我們有興趣了解量子點和納米結(jié)構(gòu)以及它們對太陽能電池的運行情況，”芝加哥大學分子工程學家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概述了這項工作，他們發(fā)現(xiàn)。“我們正在使用經(jīng)典分子動力學和第一原理方法進行建模，以了解這些納米顆粒和量子點的結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。

    核殼納米顆粒

    對于PbSe納米顆粒嵌入到CdSe的膠體量子點這項研究，在這種情況下該團隊專注于異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒，其中這種類型的量子點就像一個蛋，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，一個由一種材料構(gòu)成的”蛋黃“由其他材料組成的”殼“所包圍。

      Vörös說，”實驗表明，這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米粒子對太陽能轉(zhuǎn)換和薄膜晶體管非常有利“。

    例如，盡管目前實驗室中膠體量子點能量轉(zhuǎn)換效率在12％左右，”我們的目標是預(yù)測量子點的結(jié)構(gòu)模型超過12％。“《納米論》的作者，芝加哥分子學研究所博士后研究學者Federico Giberti說，”如果能達到20％的效率，那么我們就會生成一種收益較高的商業(yè)化材料。

    然而，為了實現(xiàn)這一目標， Vörös和Giberti意識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，開發(fā)了一種計算策略，來研究在原子層面上界面結(jié)構(gòu)對材料光電特性的影響。通過使用不依賴任何擬合參數(shù)的經(jīng)典分子動力學和第一原理方法，它們的框架允許它們構(gòu)建這些嵌入量子點的計算模型。

    研究小組利用該模型作為在NERSC進行的一系列模擬的基礎(chǔ)，研究團隊能夠?qū)ξU和硒化鎘量子點進行表征，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)可能有損太陽能電池性能，Giberti解釋說。然后他們能夠使用該模型來預(yù)測不具有這些陷阱狀態(tài)的新材料，并且可以在太陽能電池中表現(xiàn)出更好的性能。

    “通過使用計算模式，我們還發(fā)現(xiàn)了一種通過施加壓力來調(diào)節(jié)材料的光學性能的方法，”Giberti補充說。

    根據(jù)V?r?s的說法，通過在國家能源研究科學計算機中心使用了四百萬個超級計算時間這項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)計算都是在2016年安裝的國家能源研究科學計算機中心的30-petaflop系統(tǒng)Cori上運行的，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。雖然計算不需要大量的處理器，但Giberti指出：“我需要啟動許多同時進行的仿真，并且分析所有的數(shù)據(jù)本身就是一項相當具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。”

    展望未來，研究團隊計劃利用這一新的計算框架來研究其他材料和結(jié)構(gòu)。

    Federico說：“我們相信，將我們的原子模型與實驗相結(jié)合，能夠為可用于各種半導(dǎo)體系統(tǒng)的異種納米結(jié)構(gòu)材料帶來預(yù)測性儀器。我們對我們工作所可能帶來的影響感到非常興奮。”

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責任編輯：殷鵬飛

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