p Para entender a natureza de algo extremamente complexo, muitas vezes você tem que estudar suas menores partes. Na tentativa de decifrar o universo, por exemplo, procuramos ondas gravitacionais ou ondas fracas de luz do Big Bang. E para compreender a própria essência da matéria, nós o quebramos no nível subatômico e usamos simulações de computador para estudar partículas como quarks e glúons. p Compreender materiais com funções específicas, como aqueles usados ​​em células solares, e formas de engenharia para melhorar suas propriedades apresentam muitos dos mesmos desafios. No esforço contínuo para melhorar as eficiências de conversão de energia da célula solar, os pesquisadores começaram a cavar mais fundo - em alguns casos até o nível atômico - para identificar defeitos materiais que podem prejudicar o processo de conversão.

p Por exemplo, materiais nanoestruturados heterogêneos são amplamente usados ​​em uma variedade de dispositivos optoeletrônicos, incluindo células solares. Contudo, devido à sua natureza heterogênea, esses materiais contêm interfaces em nanoescala exibindo defeitos estruturais que podem afetar o desempenho desses dispositivos. É muito desafiador identificar esses defeitos em experimentos, então, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia e da Universidade de Chicago decidiu executar uma série de cálculos atomísticos no Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley para encontrar a causa raiz de defeitos em dois materiais semicondutores usados ​​- seleneto de chumbo (PbSe) e seleneto de cádmio (CdSe) - e fornecem regras de projeto para evitá-los.

p "Estamos interessados ​​em entender os pontos quânticos e nanoestruturas e como eles funcionam para as células solares, "disse Giulia Galli, Liew Family, professora de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e co-autora de um artigo publicado em Nano Letras que descreve este trabalho e suas conclusões. "Estamos fazendo modelagem, usando tanto a dinâmica molecular clássica quanto os métodos do primeiro princípio, para entender a estrutura e as propriedades ópticas dessas nanopartículas e pontos quânticos. "

p Nanopartículas de núcleo-casca

p Para este estudo, a equipe se concentrou em nanopartículas heteroestruturadas - neste caso, um ponto quântico coloidal no qual nanopartículas de PbSe são incorporadas em CdSe. Este tipo de ponto quântico - também conhecido como nanopartícula de casca de núcleo - é como um ovo, Márton Vörös, Aneesur Rahman Fellow em Argonne e co-autor do artigo, explicado, com uma "gema" feita de um material envolvida por uma "casca" feita do outro material.

p "Experimentos sugeriram que essas nanopartículas heteroestruturadas são muito favoráveis ​​para a conversão de energia solar e transistores de película fina, "Vörös disse.

p Por exemplo, enquanto as eficiências de conversão de energia de ponto quântico coloidal atualmente oscilam em torno de 12% no laboratório, "nosso objetivo é prever modelos estruturais de pontos quânticos para ir além de 12%, "disse Federico Giberti, pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago e primeiro autor no Nano Letras papel. "Se 20% de eficiência pudesse ser alcançada, teríamos então um material que se torna interessante para comercialização. "

p Para fazer isso acontecer, Contudo, Vörös e Giberti perceberam que precisavam entender melhor a estrutura das interfaces em nanoescala e se defeitos atomísticos estavam presentes. Então, junto com Galli, eles desenvolveram uma estratégia computacional para investigar, no nível atômico, o efeito da estrutura das interfaces nas propriedades optoeletrônicas dos materiais. Ao usar dinâmica molecular clássica e métodos de primeiros princípios que não dependem de nenhum parâmetro ajustado, sua estrutura permitiu-lhes construir modelos computacionais desses pontos quânticos embutidos.

p Usando este modelo como base para uma série de simulações rodadas no NERSC, a equipe de pesquisa foi capaz de caracterizar os pontos quânticos de PbSe / CdSe e descobriu que os átomos que são deslocados na interface e seus estados eletrônicos correspondentes - o que eles chamam de "estados de armadilha" - podem comprometer o desempenho da célula solar, Giberti explicou. Eles foram então capazes de usar o modelo para prever um novo material que não tem esses estados de armadilha e deve ter um desempenho melhor em células solares.

p "Usando nossa estrutura computacional, também encontramos uma maneira de ajustar as propriedades ópticas do material aplicando pressão, "Acrescentou Giberti.

p Esta pesquisa - que incluiu estudos de elétrons e estruturas atômicas - usou quatro milhões de horas de supercomputação no NERSC, de acordo com Vörös. A maioria dos cálculos da estrutura atômica foram executados em Cori, Sistema de 30 petaflop da NERSC instalado em 2016, embora também usassem o sistema Edison, um Cray XC30 com processadores Intel Xeon. Embora os cálculos não precisassem de um grande número de processadores, Giberti notou, "Eu precisava lançar muitas simulações simultâneas ao mesmo tempo, e analisar todos os dados já era uma tarefa bastante desafiadora. "

p Olhando para a frente, a equipe de pesquisa planeja usar esta nova estrutura computacional para investigar outros materiais e estruturas.

p "Acreditamos que nossos modelos atomísticos, quando combinado com experimentos, trará uma ferramenta preditiva para materiais nanoestruturados heterogêneos que podem ser usados ​​para uma variedade de sistemas semicondutores, Federico disse. "Estamos muito entusiasmados com o possível impacto do nosso trabalho."