太好了!研究绝缘子和半导体中极化子的新方法诞生

原标题:太好了!研究绝缘子和半导体中极化子的新方法诞生

牛津大学科学家提出了一种建模极化子的新方法,极化子是一种准粒子,物理学家通常用它来理解固体材料中电子与原子之间的相互作用。其新方法研究发表在《物理评论快报》上,将理论建模与计算模拟相结合,从而能够在广泛的材料中深入观察这些准粒子。从本质上讲,极化子是由电子组成的复合粒子,电子被声子云(即晶格振动)包围。这个准粒子比电子本身还重,由于它的质量很大,有时会被困在晶格中。

极化子提供电流,为多种技术工具提供动力,包括有机发光二极管和触摸屏。因此,了解它们的特性至关重要,因为这有助于开发下一代用于照明和光电子的各种设备。进行这项研究的团队负责人费利西亚诺·朱斯蒂诺(Feliciano Giustino)教授说:以前对极化子的研究依赖于理想化数学模型。这些模型对理解极化子的基本性质非常有用,但它们没有考虑到原子尺度上材料的结构,因此当试图研究实际应用的真正材料时,它是不够的。

研究的想法是开发一种计算方法,使对极化子的系统研究具有预测精度。Giustino团队设计的方法是基于密度泛函理论,这是目前最流行的工具,预测材料建模和设计使用量子力学。基于这一理论研究极化子时遇到的主要挑战之一是所需的计算资源(CPU小时)与要模拟原子数的三次方成正比。换句话说,如果一个人在研究两个每单位细胞有10个和20个原子的晶体,那么研究第二个晶体所需的计算时间,将是研究第一个晶体所需时间的8倍。

由于许多极化子的尺寸为1-2纳米,因此研究这些系统的计算需要至少包含3000 - 5000个原子的模拟单元。然而目前计算能力将难以维持这样的模拟,即使使用现代超级计算机,研究这些系统所需的许多计算中的每一个都需要数周时间。该研究的第一作者翁洪萧(Weng Hong Sio)解释说:研究是想试图利用所谓的密度-功能微扰理论的进步,使这一过程更有效。在不深入研究细节的情况下,能够将在大型模拟单元中对极化子进行一次计算的问题。

转变为在晶体最小单元中进行多次计算的更简单的问题,这一战略开辟了以前无法企及的新可能性。Giustino团队设计的方法,可以用来描述大和小的极化子。例如在研究中,研究人员展示了如何用它来计算LiF和Li2O2化合物中极化子的波函数、形成能和光谱分解。利用模拟方法,发现电池中使用简单盐和金属氧化物中的极化子,具有比之前该领域研究表明的更丰富的内部结构。

例如,在典型的氟化锂盐中,人们以前认为极化子是由电子和长光子声子之间的相互作用产生。也就是说晶格振动负责晶体的介电响应,研究发现,这并不是唯一涉及到的声子,电子和压电声子之间的相互作用(即负责压电的振动)也很重要。Giustino团队所收集的观测结果改变了目前对四价锂盐中极化子的看法,这是一个非常简单的系统。将该方法应用到更复杂的系统中,可以揭示出更丰富的结构。

最终增强目前对其性能的理解,并为开发具有定制极化性能的新材料提供信息。在未来研究中,研究人员计划用他们的方法研究其他材料,以便进一步评估其预测能力,更好地理解其他技术上重要的材料。进一步研究极化子功能是很重要的:因为现在知道可以计算极化子的最低能量结构,但是不知道如果极化子受到静电、磁场或电磁辐射会发生什么,此外与实验小组的密切作用将是将这些发现转化为应用的关键。返回搜狐,查看更多

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