超級計算機：助力新一代半導體研究！

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。

硅，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製設計，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，展開基於複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，將它的模擬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。這一過程的模擬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，團隊模擬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」相互作用的模擬與實驗，達成了良好的一致性。這表示，他們可以依靠模擬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。系統規模和模擬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模擬規模，從而為一系列電子器件應用帶來更大效益。

Ortmann 表示：「我們想要將模擬的準確度提高到最大。這將幫助我們拓展應用範圍，讓我們更加精準地模擬更廣泛的材料，或者具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

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