Wissenschaftler erforschen mit komplexen Simulationen die nächste Generation von Halbleitern

| Redakteur: Julia Schmidt

Die Abbildung zeigt einen dotierten organischen Halbleiter auf der Basis von Fulleren-C60-Molekülen (grün). Die Benzimidazolin-Dotierung (violett) spendet ein Elektron an die C60-Moleküle in seiner Umgebung (dunkelgrün). Diese Elektronen können sich dann durch das Halbleitermaterial hindurch fortbewegen (hellgrün).
Die Abbildung zeigt einen dotierten organischen Halbleiter auf der Basis von Fulleren-C60-Molekülen (grün). Die Benzimidazolin-Dotierung (violett) spendet ein Elektron an die C60-Moleküle in seiner Umgebung (dunkelgrün). Diese Elektronen können sich dann durch das Halbleitermaterial hindurch fortbewegen (hellgrün). (Bild: S. Hutsch/F. Ortmann, TU Dresden)

Forscher der TU Dresden nutzen den SuperMUC Supercomputer des Leibniz-Rechenzentrums in Garching, um ihre Methoden zum Erforschen von neuen organischen Halbleitern zu verfeinern.

Halbleiter bilden die Grundlage für fast alle modernen Innovationen in der Elektronik. Neben Silizium, dem seit Jahrzehnten gebräuchlichsten Halbleiter, gibt es viele weitere Materialien, die sich auf spezifische elektronische Anforderungen abstimmen lassen. Bei der Erforschung solcher komplexer Halbleitermaterialien sind Supercomputer ein unverzichtbares Forschungsinstrument .

Mithilfe des SuperMUC, des Supercomputer des Leibniz-Rechenzentrum, wollen Wissenschaftler der TU Dresden jetzt bisherige Verfahren zum Simulieren organischer Halbleiter verfeinern. Das Team simuliert dafür den Prozess der Halbleiterdotierung. Dabei werden gezielt Verunreinigungen in ein Material eingebracht, um ihm spezifische halbleitende Eigenschaften zu verleihen. Ihre bisherigen Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.

„Neue Arten von Halbleitern, organische Halbleiter, werden zunehmend für neue Konzepte verwendet“, sagt Teamleiter Dr. Frank Ortmann. „Einige dieser Halbleiter sind bereits verfügbar, andere sind jedoch noch zu ineffizient. Wir erforschen Dotierungsmechanismen, um die Grenzen und die Effizienz dieser Halbleiter zu verstehen.“

Eigenschaften werden mit Verunreinigungen bewusst beeinflusst

Wenn man die physikalischen Eigenschaften eines Materials ändert, ändern sich auch seine elektronischen Eigenschaften und damit die Rolle, die es in elektronischen Geräten spielen kann. Kleine Variationen in der Materialzusammensetzung können zu großen Veränderungen in den Eigenschaften eines Materials führen. In bestimmten Fällen kann eine geringfügige Veränderung auf atomarer Ebene zu einer 1000-fachen Änderung der elektrischen Leitfähigkeit führen.

Während die Veränderungen in den Materialeigenschaften groß sein können, sind die zugrunde liegenden Kräfte, die sich auf Atome und Moleküle auswirken und deren Wechselwirkungen steuern, im Allgemeinen schwach und nur im Nahbereich wirksam. Das bedeutet, die Moleküle und die Atome, aus denen sie zusammengesetzt sind, müssen eng beieinander liegen, damit sich die Kräfte auswirken. Um die Veränderungen in den Eigenschaften zu verstehen, müssen Forscher daher atomare und molekulare Wechselwirkungen sowie die Elektronendichte und deren Übertragung zwischen Molekülen genau berechnen.

Das Einbringen bestimmter Atome oder Moleküle in ein Material kann seine leitfähigen Eigenschaften auf übergeordneter Ebene verändern. Dies ermöglicht es einem Transistor aus dotiertem Material, eine Vielzahl von Aufgaben in der Elektronik zu erfüllen, einschließlich Strom zu leiten, um Operationen auf der Basis komplexer Schaltungen durchzuführen, oder zu verstärken, um die Klangerzeugung in einem Gitarrenverstärker oder Radio zu unterstützen.

Quantengesetze regeln dabei interatomare und intermolekulare Interaktionen, die im Wesentlichen die Stoffe zusammenhalten und die Welt, wie wir sie kennen, strukturieren. Eine Aufgabe des Teams ist es, diese komplexen Wechselwirkungen für die einzelnen atomaren Wechselwirkungen zu berechnen, einschließlich der Wechselwirkungen zwischen Halbleiter-„Wirtsmolekülen“ und Dotierstoffmolekülen. Das Team verwendet dafür die Dichtefunktionaltheorie (DFT). Sie bezeichnet eine rechnerische Methode, die elektronische Dichten und Eigenschaften während einer chemischen Interaktion modellieren kann. Damit können sie die Vielfalt komplexer Wechselwirkungen effizient vorhersagen. In Zusammenarbeit mit Experimentalphysikern der TU Dresden und dem Institute for Molecular Science in Okazaki, Japan, vergleichen die Forscher ihre Simulationen mit spektroskopischen Experimenten.

Ziel ist es, die Genauigkeit der Simulationen zu maximieren

Um den rechnerischen Ansatz zu testen, simulierte das Team industrielle Anwendungen und Materialien, für die die Forscher bereits über gute experimentelle Datensätze verfügten. Die Forscher konzentrierten sich zunächst auf C60, auch bekannt als „Buckminster-Fullerene“.

Buckminster-Fulleren wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, unter anderem in Solarzellen. Die Struktur eines solchen Moleküls ähnelt einem Fußball – eine sphärische Anordnung von Kohlenstoffatomen, die in fünf- und sechseckigen Mustern von weniger als einem Nanometer Größe angeordnet sind. Darüber hinaus erforschen die Wissenschaftler simuliertes Zinkphthalocyanin (ZnPc) – ein weiteres Molekül, das in der Photovoltaik verwendet wird, aber im Gegensatz zu C60 eine flache Form hat und ein Metallatom (Zink) enthält.

Als Dotierstoff verwendete das Team zunächst ein gut untersuchtes Molekül namens 2-Cyc-DMBI (2-Cyclohexyl-Dimethylbenzimidazolin). 2-Cyc-DMBI gilt als n-Dotiersubstanz. Das heißt, es kann dem Halbleiter seine überschüssigen Elektronen zuführen, um seine Leitfähigkeit zu erhöhen. N-Dotierungen sind relativ selten, da nur wenige Moleküle bereit sind, Elektronen abzugeben. Meist werden Moleküle dadurch instabil und bauen sich bei chemischen Reaktionen ab. Das kann zum Ausfall eines elektronischen Bauteils führen. 2-Cyc-DMBI-Dotierungen sind eine Ausnahme, da sie auch nach der Elektronenabgabe stabil bleiben.

Das Team hat eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den experimentellen Beobachtungen der gleichen Molekül-Dotierungs-Wechselwirkungen beobachten können. Dies deutet darauf hin, dass sie sich auf die Simulation verlassen können, um Vorhersagen in Bezug auf den Dotierungsprozess von Halbleitern zu treffen. Sie arbeiten nun mit den gleichen Methoden an komplexeren Molekülen und Dotierstoffen.

Trotz dieser Fortschritte ist das Team überzeugt, dass Supercomputer der nächsten Generation wie der SuperMUC-NG, der im Dezember 2017 angekündigt wurde und 2018 in Garching installiert werden soll, den Forschern helfen werden, den Umfang ihrer Simulationen zu erweitern. Was zu einer immer größeren Effizienzsteigerung bei einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen führen wird. „Wir müssen die Genauigkeit unserer Simulationen maximieren“, so Ortmann. „Das würde uns helfen, den Anwendungsbereich zu erweitern und eine größere Anzahl von Materialien oder größere Systeme mit mehr Atomen genauer zu simulieren. Wir sind oft durch Systemspeicher oder CPU-Leistung begrenzt", sagt er.Die Größe des Systems und die Genauigkeit der Simulation würden im Wesentlichen um die Rechenleistung konkurrieren. Daher sei es wichtig, Zugang zu schnelleren Supercomputern zu haben. „Supercomputer sind perfekt geeignet, um Antworten auf diese Probleme in einer realistischen Zeitspanne zu liefern“.

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