图片为铅硫族化合物纳米粒子与其所嵌入的镉硫族化合物基质之间的矩阵界面的横截面。当它集成到光电元件中时，在界面处错误的位置出现单个原子（由发光的蓝色表示），将足以影响它们的性能。图片来源：Peter Allen，芝加哥大学分子工程研究所

    如果想要了解一些非常复杂的东西的性质，你必须要研究其最小的部分。例如，在尝试破译宇宙奥秘的时候，我们从大爆炸中寻找引力波或微弱波光。为了了解物质自身的性质，我们将其分解为亚原子水平，并使用计算机模拟来研究粒子，如夸克和胶子。

    如果想了解具有特定功能的材料，如太阳能电池中使用的材料，以及改进其性能的工程方法，也会面临着许多相同的挑战。在不断努力提高太阳能电池能量转换效率的过程中，研究人员已经开始深入探究某些情况下的原子能级，以发现可能会破坏转换过程的物质缺陷。

    例如，异质纳米结构材料广泛用于各种光电元件，包括太阳能电池。然而，由于它们的异质性，这些材料含有纳米尺度的界面，因此会表现出可能影响这些元件性能的结构缺陷。在实验中确定出这些缺陷是非常有挑战性的，所以能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究人员团队决定在劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心（NERSC）进行一系列原子计算 ，找出两种常用的半导体材料—— 硒化铅（PbSe）和硒化镉（CdSe）缺陷的根本原因，并提出如何避免缺陷的问题。

    “我们有兴趣了解量子点和纳米结构以及它们对太阳能电池的运行情况，”芝加哥大学分子工程学家Liew Family教授Giulia Galli以及共同发表了该论文的另一位作者教授Nano Letters概述了这项工作，他们发现。“我们正在使用经典分子动力学和第一原理方法进行建模，以了解这些纳米颗粒和量子点的结构和光学性质。

    核壳纳米颗粒

    对于PbSe纳米颗粒嵌入到CdSe的胶体量子点这项研究，在这种情况下该团队专注于异质结构纳米颗粒，其中这种类型的量子点就像一个蛋，被称为核 - 壳纳米粒子。马格？沃尔斯，阿贡的Aneesur Rahman研究员和本文的合作者解释说，一个由一种材料构成的”蛋黄“由其他材料组成的”壳“所包围。

      Vörös说，”实验表明，这些异质结构纳米粒子对太阳能转换和薄膜晶体管非常有利“。

    例如，尽管目前实验室中胶体量子点能量转换效率在12％左右，”我们的目标是预测量子点的结构模型超过12％。“《纳米论》的作者，芝加哥分子学研究所博士后研究学者Federico Giberti说，”如果能达到20％的效率，那么我们就会生成一种收益较高的商业化材料。

    然而，为了实现这一目标， Vörös和Giberti意识到需要更好地了解纳米尺度界面的结构以及原子缺陷是否存在。 因此，他们与Galli一起，开发了一种计算策略，来研究在原子层面上界面结构对材料光电特性的影响。通过使用不依赖任何拟合参数的经典分子动力学和第一原理方法，它们的框架允许它们构建这些嵌入量子点的计算模型。

    研究小组利用该模型作为在NERSC进行的一系列模拟的基础，研究团队能够对硒化铅和硒化镉量子点进行表征，发现在界面处移位的原子及其它们相应的电子状态，称为“陷阱状态”，该状态可能有损太阳能电池性能，Giberti解释说。然后他们能够使用该模型来预测不具有这些陷阱状态的新材料，并且可以在太阳能电池中表现出更好的性能。

    “通过使用计算模式，我们还发现了一种通过施加压力来调节材料的光学性能的方法，”Giberti补充说。

    根据V?r?s的说法，通过在国家能源研究科学计算机中心使用了四百万个超级计算时间这项研究包括电子和原子结构的研究 。大部分原子结构计算都是在2016年安装的国家能源研究科学计算机中心的30-petaflop系统Cori上运行的，尽管他们也使用了Edison系统，即一款带有Intel Xeon处理器的Cray XC30。虽然计算不需要大量的处理器，但Giberti指出：“我需要启动许多同时进行的仿真，并且分析所有的数据本身就是一项相当具有挑战性的任务。”

    展望未来，研究团队计划利用这一新的计算框架来研究其他材料和结构。

    Federico说：“我们相信，将我们的原子模型与实验相结合，能够为可用于各种半导体系统的异种纳米结构材料带来预测性仪器。我们对我们工作所可能带来的影响感到非常兴奋。”

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责任编辑：殷鹏飞

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