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太好了！研究絕緣子和半導(dǎo)體中極化子的新方法誕生

2019-08-24 11:49 作者:博科園 0人讀過(guò) | 我要投稿

牛津大學(xué)科學(xué)家提出了一種建模極化子的新方法，極化子是一種準(zhǔn)粒子，物理學(xué)家通常用它來(lái)理解固體材料中電子與原子之間的相互作用。其新方法研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，將理論建模與計(jì)算模擬相結(jié)合，從而能夠在廣泛的材料中深入觀察這些準(zhǔn)粒子。從本質(zhì)上講，極化子是由電子組成的復(fù)合粒子，電子被聲子云(即晶格振動(dòng))包圍。這個(gè)準(zhǔn)粒子比電子本身還重，由于它的質(zhì)量很大，有時(shí)會(huì)被困在晶格中。

極化子提供電流，為多種技術(shù)工具提供動(dòng)力，包括有機(jī)發(fā)光二極管和觸摸屏。因此，了解它們的特性至關(guān)重要，因?yàn)檫@有助于開(kāi)發(fā)下一代用于照明和光電子的各種設(shè)備。進(jìn)行這項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人費(fèi)利西亞諾·朱斯蒂諾(Feliciano Giustino)教授說(shuō)：以前對(duì)極化子的研究依賴于理想化數(shù)學(xué)模型。這些模型對(duì)理解極化子的基本性質(zhì)非常有用，但它們沒(méi)有考慮到原子尺度上材料的結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)試圖研究實(shí)際應(yīng)用的真正材料時(shí)，它是不夠的。

研究的想法是開(kāi)發(fā)一種計(jì)算方法，使對(duì)極化子的系統(tǒng)研究具有預(yù)測(cè)精度。Giustino團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的方法是基于密度泛函理論，這是目前最流行的工具，預(yù)測(cè)材料建模和設(shè)計(jì)使用量子力學(xué)。基于這一理論研究極化子時(shí)遇到的主要挑戰(zhàn)之一是所需的計(jì)算資源(CPU小時(shí))與要模擬原子數(shù)的三次方成正比。換句話說(shuō)，如果一個(gè)人在研究?jī)蓚€(gè)每單位細(xì)胞有10個(gè)和20個(gè)原子的晶體，那么研究第二個(gè)晶體所需的計(jì)算時(shí)間，將是研究第一個(gè)晶體所需時(shí)間的8倍。

由于許多極化子的尺寸為1-2納米，因此研究這些系統(tǒng)的計(jì)算需要至少包含3000 - 5000個(gè)原子的模擬單元。然而目前計(jì)算能力將難以維持這樣的模擬，即使使用現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)，研究這些系統(tǒng)所需的許多計(jì)算中的每一個(gè)都需要數(shù)周時(shí)間。該研究的第一作者翁洪蕭(Weng Hong Sio)解釋說(shuō)：研究是想試圖利用所謂的密度-功能微擾理論的進(jìn)步，使這一過(guò)程更有效。在不深入研究細(xì)節(jié)的情況下，能夠?qū)⒃诖笮湍M單元中對(duì)極化子進(jìn)行一次計(jì)算的問(wèn)題。

轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰w最小單元中進(jìn)行多次計(jì)算的更簡(jiǎn)單的問(wèn)題，這一戰(zhàn)略開(kāi)辟了以前無(wú)法企及的新可能性。Giustino團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的方法，可以用來(lái)描述大和小的極化子。例如在研究中，研究人員展示了如何用它來(lái)計(jì)算LiF和Li2O2化合物中極化子的波函數(shù)、形成能和光譜分解。利用模擬方法，發(fā)現(xiàn)電池中使用簡(jiǎn)單鹽和金屬氧化物中的極化子，具有比之前該領(lǐng)域研究表明的更豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

例如，在典型的氟化鋰鹽中，人們以前認(rèn)為極化子是由電子和長(zhǎng)光子聲子之間的相互作用產(chǎn)生。也就是說(shuō)晶格振動(dòng)負(fù)責(zé)晶體的介電響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)，這并不是唯一涉及到的聲子，電子和壓電聲子之間的相互作用(即負(fù)責(zé)壓電的振動(dòng))也很重要。Giustino團(tuán)隊(duì)所收集的觀測(cè)結(jié)果改變了目前對(duì)四價(jià)鋰鹽中極化子的看法，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。將該方法應(yīng)用到更復(fù)雜的系統(tǒng)中，可以揭示出更豐富的結(jié)構(gòu)。

最終增強(qiáng)目前對(duì)其性能的理解，并為開(kāi)發(fā)具有定制極化性能的新材料提供信息。在未來(lái)研究中，研究人員計(jì)劃用他們的方法研究其他材料，以便進(jìn)一步評(píng)估其預(yù)測(cè)能力，更好地理解其他技術(shù)上重要的材料。進(jìn)一步研究極化子功能是很重要的：因?yàn)楝F(xiàn)在知道可以計(jì)算極化子的最低能量結(jié)構(gòu)，但是不知道如果極化子受到靜電、磁場(chǎng)或電磁輻射會(huì)發(fā)生什么，此外與實(shí)驗(yàn)小組的密切作用將是將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用的關(guān)鍵。