Licząc atomy: nanomateriały i nanostruktury w elektronice

Obserwując rozwój elektroniki niesamowite jest to, że tworzenie materiałów, struktur o zadanych własnościach wymaga ich budowania atom po atomie.

Obecnie praca nad nowymi materiałami nie zawsze zaczyna się w laboratorium technologicznym, ale przed ekranem komputera, gdzie możliwe jest zaprojektowanie i zbadanie nowych substancji.

Fizyka komputerowe daje możliwość zajrzenia w świat atomów, znalezienia wyjątkowych układów o najciekawszych własnościach. Takie podejście ma zastosowanie również w materiałach stosowanych w elektronice, w której postępujący proces miniaturyzacji wymaga analizy położenia poszczególnych atomów do właściwej oceny przydatności proponowanych rozwiązań.

Celem prac jest komputerowa analiza własności nano-materiałów i nano-struktur zastosowanych w elektronice w oparciu o ich strukturę atomową. W pracy wykorzystane będzie oprogramowanie symulacyjne pozwalające na powiązanie struktury atomowej z własnościami użytecznymi podczas budowy struktur stosowanych w elektronice. Do obliczeń zaprzęgniemy algorytmy uczenia maszynowego, które znacznie przyspieszają obliczenia i pozwalają na modelownie coraz bardziej złożonych układów.

Szczególnie analizowane będą materiały dwuwymiarowe (2D) oraz nanodruty i nanocząstki. Historycznie pierwszym materiałem 2D, który miał zrewolucjonizować technologie elektroniczne był grafen. Badania nad nim  otworzyły perspektywy zastosowań dla nowych materiałów 2D [1,2].

Na liście aktualnie badanych materiałów 2D są m. in. materiały 2D jednopierwiastkowe oraz związki chemiczne. Konkretne materiały poddawane analizie wybrane zostaną wspólnie z osobą realizującą temat. Atrakcyjnym obszarem badań są materiały 2D do zastosowań w fotowoltaice.

W pracy wykorzystane będzie narzędzie QuantumATK firmy Synopsys specjalizującej się w systemach wspomagania projektowania struktur półprzewodnikowych. QuantumATK jest intensywnie rozwijany na przestrzeni ostatnich lat ze względy na to, iż elektronika zmuszona jest wkroczyć w projektowanie „atom-po-atomie” aby móc utrzymać dalszy rozwój. Narzędzie to umożliwia również analizę działania przyrządów półprzewodnikowych w nanoskali pozwalając na badanie m.in. tranzystorów tunelowych, nowoczesnych struktury wykorzystujących warstwy ferromagnetyczne. Realizacja tematu związanego z nanomateriałami umożliwi w kolejnych latach podjęcie zagadnień dotyczących projektowania już całych przyrządów przez analizę ich szczegółowej struktury atomowej.