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近日，德國德累斯頓工業大學的科研團隊採用 SuperMUC 超級計算機，改善了研究有機半導體的方法。
背景
半導體 （ semiconductor），指常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。 隨著外界條件變化，它的導電性能也會發生改變。 在現代電子技術的創新大潮中，半導體是一項非常關鍵的技術。
矽，一直以來就是最著名的半導體材料。 近年來，研究人員開始研究更多的半導體材料， 這些材料通過一些定制設計，從而更好地滿足電子學的特殊需求。 其中， 石墨烯 就是一個典型的例子。
（圖片來源： Yves Rubin）
然而，工欲善其事，必先利其器。 要從根本上研究極度複雜的半導體材料 ，必須依靠強大計算設備，而目前最先進的電子設備之一： 超級計算機 ，是一種不可或缺的研究工具。
創新
近日，德國德累斯頓工業大學（ TU Dresden ）的科研團隊採用了 位於德國慕尼黑附近的萊布尼茲超級計算中心，處理能力達到了每秒4.29千萬億次浮點運算，理論峰值達5.03千萬億次的超級計算機： SuperMUC ，改善了研究有機半導體的方法。
（圖片來源： 維基百科）
特別是，團隊採用了一種稱為“ 半導體摻雜 ”的方法。在這項工藝中，雜質被故意摻入到材料中，使得材料具有半導體特性。近日，這項研究成果發表於《 Nature Materials 》雜誌上。
團隊領頭人 Frank Ortmann 博士表示：“新型半導體、有機半導體，開始在新型器件概念中得以應用。其中一些已經上市，但是另外一些仍然受制於低效。我們正研究摻雜機制（調諧半導體特性的關鍵技術）， 去理解這些半導體的局限性和各自的效率。”
技術
當某人改變材料的物理特性時，他也會改變其電子特性，因此這種材料在電子器件中扮演的角色也會改變。 在材料組成方面的小變化，將導致材料特性的大變化。 在某些情況下，原子層面的輕微變化，將導致導電性一千倍的變化。
雖然材料特性的變化可能很大，但是“背後的力量”（在原子和分子上施加改變，並控制它們之間相互作用）普遍很微弱，且是短距離的（因為分子以及組成它們的原子必須 靠得很近）。 因此，為了搞清楚這些特性的變化，研究人員必須準確地計算原子和分子層面的相互作用和電子密度，以及電子在分子之間如何遷移的。
在一種材料中摻雜特定的原子或者分子，會在“超越局部”層面上，改變材料導電性。 材料經過摻雜後製成晶體管，能在電子器件中起到一系列作用，例如：分配電流，展開基於復雜電路的一系列操作；或者放大電流，幫助在 吉他音箱 或者收音機中製造聲音。
量子物理定律操控著原子間以及分子間的相互作用 ，從本質上將材料結合到一起，從而組成了我們所知的世界。 在這項研究中，這些複雜的相互作用，包括半導體“宿主”分子和摻雜物分子之間更大規模的相互作用， 需要對於單個原子之間的相互作用進行計算。
團隊採用 了密度泛函理論（DFT） ，一種在化學相互作用期間建模電子密度和特性的計算方法，從而有效地預測複雜的相互作用。 然後，團隊與 德累斯頓工業大學 以及位於日本 岡崎的 分子科學研究所合作，將它的仿真與光譜學實驗進行比較。
Ortmann 表示：“導電性可來自許多摻雜物，這一特性出現在比原子間力更長的尺度上。這一過程的仿真需要更複雜的傳輸模型，只有在 高性能計算（HPC） 架構下才能實現。 ”
為了測試這種計算方法，團隊仿真了具有良好的實驗數據集並已經工業應用的材料。 研究人員首先集中研究 C60 ，也稱為“ 巴克敏斯特富勒烯 ”，簡稱“ 富勒烯 ”。
（圖片來源：S. Hutsch/F. Ortmann， 德累斯頓工業大學 ）
富勒烯 ，已經在某些領域應用，其中包括太陽能電池。 這種分子結構非常類似於足球，它是由60個碳原子通過20個六元環和12個五元環連接而成的具有30個碳碳雙鍵的足球狀空心對稱分子，因此也稱為 “足球烯”。 此外，研究人員模擬了鋅酞菁（ ZnPc ），另外一種用於光伏技術的分子，但不像C60，它的形狀是扁平的，並且還含有金屬原子（ 鋅 ）。
作為摻雜物來說 ，團隊首先研究了已得到很好研究的分子“ 2-Cyc-DMBI ”。 2-Cyc-DMBI 是作為 N型摻雜物 ，也就是說它可以提供多餘的電子給半導體，增加其導電性。 N型摻雜物相對稀少，因為很少有分子“願意”給出電子。 在大多數情況下，分子這麼做，是因為化學反應器件不穩定或者退化， 因此這將 會導致電子器件的失效。
2-Cyc-DMBI 摻雜物屬於例外，因為它們對於電子的吸引力足夠弱，使得電子可以長距離移動，同時在貢獻出電子後還能保持穩定。
價值
團隊對於同樣的“分子摻雜”相互作用的仿真與實驗，達成了良好的一致性。 這表示， 他們可以依靠仿真指導與半導體摻雜工藝相關的預測。 他們正在採用同樣的方法，研究更加複雜分子和摻雜物。
Ortmann 表示，目前的系統讓團隊可以深入理解特殊的條件並驗證他們的想法，然而它仍進一步提升的空間。 他說：“我們經常受制於系統內存或者CPU功率。系統規模和仿真精度從根本上說是受制於計算能力，這就是為什麼需要更好的超級計算機。超級計算機非常適合解決在現實情況中需要大量 時間才能解決的問題。”
未來
儘管有了這些進展，團隊還認為下一代超級計算機 SuperMUC-NG （2017年12月發布，2018年末部署完成），將幫助研究人員擴展他們的仿真規模，從而為一系列電子器件應用帶來更大效益。
Ortmann 表示：“我們想要將仿真的準確度提高到最大。這將幫助我們拓展應用範圍，讓我們更加精準地仿真更廣泛的材料，或者俱有更多原子的更大型系統。”
關鍵字
半導體、富勒烯、 超級計算機
參考資料
【1】 http://www.gauss-centre.eu/SharedDocs/Meldungen/GAUSS-CENTRE/EN/2018/news_03_Dresden_Semiconductors.html
【2】https://www.nature.com/articles/s41563-018-0030-8
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