查爾姆斯理工大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型計(jì)算框架，能夠更準(zhǔn)確地模擬半導(dǎo)體材料中缺陷在不同溫度下的行為特性。該成果有望提升太陽(yáng)能電池、傳感器及未來(lái)量子技術(shù)等相關(guān)器件的設(shè)計(jì)精度，相關(guān)已于《npj Computational Materials》。

所有材料均存在固有缺陷。這些缺陷并非總是有害，有時(shí)可用于定向賦予材料特定性能，但必須明確其作用機(jī)制及對(duì)材料性質(zhì)的影響。傳統(tǒng)材料缺陷計(jì)算通?；诹愣龋阆?73攝氏度），此時(shí)原子與分子完全靜止。然而，面向?qū)嶋H產(chǎn)品與日常應(yīng)用，掌握材料在常規(guī)溫度下的表現(xiàn)至關(guān)重要。

研究團(tuán)隊(duì)展示了一種顯著更高效的缺陷性質(zhì)計(jì)算框架，在計(jì)入溫度效應(yīng)的同時(shí)使結(jié)果更貼近現(xiàn)實(shí)。物理與天文系Julia Wiktor教授指出，常規(guī)建模常將材料視為完美晶體，但實(shí)際材料中存在原子缺失、間隙原子或原子互換位置等不完美結(jié)構(gòu)，這些缺陷會(huì)直接影響材料的性能與功能。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究晶體結(jié)構(gòu)中缺失原子這一點(diǎn)缺陷，觀察溫度對(duì)其行為的影響。多數(shù)基于零度的模型無(wú)法捕捉這一過(guò)程，而新方法填補(bǔ)了該空白，使研究人員能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)追蹤缺陷演變。博士研究員Tobias Hainer表示，該方法的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相符，且不僅能獲得初始和Zui終測(cè)量值，還能完整記錄缺陷隨溫度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

缺陷的位置決定了其對(duì)材料的具體影響。以半導(dǎo)體為例，其存在禁帶（無(wú)可用電子態(tài)的能量區(qū)間），缺陷會(huì)在禁帶內(nèi)引入不同的能級(jí)。若能級(jí)深陷禁帶內(nèi)部，通常不利于實(shí)際應(yīng)用；若靠近禁帶邊緣，則可通過(guò)工程手段調(diào)控半導(dǎo)體的電學(xué)性能。Hainer強(qiáng)調(diào)，在設(shè)計(jì)材料基應(yīng)用時(shí)，缺陷能級(jí)的位置極為關(guān)鍵。若在零度下預(yù)測(cè)其靠近邊緣而認(rèn)為無(wú)害，但在其他溫度下可能向禁帶深處移動(dòng)變?yōu)橛泻?，反之亦然?/p>

該團(tuán)隊(duì)展示了在高于零度的條件下進(jìn)行計(jì)算的新途徑，在兼顧多種材料類型適用性的同時(shí)避免了過(guò)高的計(jì)算成本。Wiktor教授說(shuō)明，核心研究重點(diǎn)是缺失原子關(guān)聯(lián)的能級(jí)隨溫度的變化，研究發(fā)現(xiàn)多種材料的能級(jí)發(fā)生了顯著的定量與定性偏移，這些變化在傳統(tǒng)零度模型中會(huì)被遺漏。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展使此次大規(guī)模計(jì)算成為可能，十年前因計(jì)算耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)難以實(shí)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)希望該方法能為面臨具體材料問(wèn)題、且缺陷行為或重要性尚不明確的研究人員提供參考，支持后續(xù)合作或直接應(yīng)用該計(jì)算工具。該項(xiàng)目獲瑞典戰(zhàn)略研究基金會(huì)、瑞典能源局、瑞典研究理事會(huì)、歐洲研究理事會(huì)及沃林格基金會(huì)資助，計(jì)算工作依托瑞典國(guó)家學(xué)術(shù)超級(jí)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施（NAISS）的C3SE、PDC和NSC節(jié)點(diǎn)完成。

資料來(lái)源：Chalmers University of Technology；原文發(fā)布日期：2026-10-29。本文為資料編譯。