Нові нітридні сполуки, відкриті за допомогою квантовомеханічних розрахунків, виявилися більш ефективними напівпровідниками, ніж їхні «колеги», широко використовувані в сучасній промисловості.
Напівпровідникові матеріали - основа сучасного технічного прогресу. Їх використовують у мікроелектроніці, сенсорах, комп'ютерах і мобільних пристроях, а також оптоелектроніці та сонячних батареях. Наукова спільнота перебуває в постійному пошуку нових сполук, що відкривають шлях для ефективних, надійних, недорогих та екологічних технологій.
Крім давно відомих кремнію і німеччини, в наш час широко використовуються органічні напівпровідники і комбіновані з'єднання. Серед них важливе місце займають галієві напівпровідники, адже саме завдяки їм з'явилися світлоіспускаючі діоди (LED). З іншого боку, напівпровідні матеріали привертають велику увагу тих, хто займається фотовольтаїкою - напрямком оптоелектроніки, суть якого полягає в ефективному перетворенні світла в електричну енергію. У наш час саме фотовольтаїка знаходиться в активному пошуку відповідних матеріалів для збільшення ефективності збору сонячної енергії - це дозволить, наприклад, зробити сонячні батареї більш вигідними економічно і, як наслідок, зменшити людський вплив на навколишнє середовище.
Великою популярністю користуються напівпровідникові нітриди: по-перше, вони нетоксичні, оскільки їх основний компонент - азот, по-друге, до їх складу входять хімічні елементи, що часто зустрічаються в природі, такі як галій і цинк, по-третє, вони відрізняються високою тугоплавкістю, і тому підходять для роботи при високих температурах, наприклад, у сфері енергетичної електроніки. У напівпровідникових нітридів є дві важливі характеристики, за якими можна оцінити їх якість. По-перше, це рухливість носіїв заряду - вона говорить про те, як часто носії заряду стикаються з дефектами кристалічної решітки або один з одним. Низька рухливість виникає через недостатню чистоту матеріалу і тягне за собою низьку енергетичну ефективність пристрою. Інший важливий показник - ефективна маса носіїв заряду, яка не повинна бути дуже високою. Наприклад, в нітриді галію GaN, який широко використовується в напівпровідниковій промисловості, носії заряду важать близько 2m0, тобто в два рази більше ніж маса спокою вільного електрону. Існують напівпровідникові нітриди з низькою ефективною масою носіїв заряду - наприклад, Zn3N2 - але їх складно вирощувати в хорошій якості через низьку ентальпію освіти.
Японські дослідники з Кіотського університету і Токійського технологічного інституту відкрили близько десяти раніше невідомих нітридів-напівпровідників, один з яких, CaZn2N2, представляє інтерес для промислового виробництва сонячних батарей. Для пошуку нових з'єднань Єйо Хінума і його колеги використовували так звані першопринципні методи (ab initio). Такі методи часто застосовуються в природничих науках для розрахунку електронної або просторової структури кристалів, сполук, молекул, безпосередньо вирішуючи квантовомеханічні рівняння станів. Об'єкти макроміру містять близько 1023 атомів, і подібні розрахунки не тільки самі по собі уявляють важке завдання для обчислювальних машин, але вимагають ще й акуратності у виборі припущень або спрощень (хоча в чистому вигляді метод передбачає їх повну відсутність).
125 хімічних формул і їхні поліморфи склали 583 можливих сполук цинку з тривалентним азотом. За допомогою еволюційного алгоритму (часто використовується для програмування штучного інтелекту; вихідні стани розвиваються у відповідність до заданої цільової функції, таким чином вирішуючи завдання на оптимізацію) вдалося уточнити і підтвердити кристалічну структуру і вибрати 21 стабільний склад з напівпровідниковими властивостями і ефективною масою носіїв заряду менше 2m0. (Нагадаємо, що саме така ефективна маса носіїв заряду у найбільш відомого і широкого використовуваного в промисловості нітриду галію GaN.) Близько половини з них - нові з "єднання, не згадані в ранніх дослідженнях. Дивно, що про багато нітридів відкриті до цього, не було відомо, що вони є напівпровідниками.
На наступному етапі автори роботи синтезували два нітридних напівпровідники, новий CaZn2N2 і вже відомий Ca2ZnN2, і вивчили їхні фізичні властивості. Експериментальні дані підтвердили теоретичні передбачення про властивості структурних «близнюків». CaZn2N2 виявився прямозонним, тобто він може випускати світло безпосередньо, без безизлучних переходів. До того ж він сильний фотолюмінофор - випускає червоне світло навіть при кімнатній температурі і володіє високим коефіцієнтом поглинання світла. Його близнюк Ca2ZnN2 не є прямозонним напівпровідником.
Якщо ми хочемо використовувати напівпровідниковий нітрид у промисловості, то відразу виникає питання: чи можна модифікувати електронну структуру з'єднань таким чином, щоб отримати бажану ширину забороненої зони і щільність носіїв заряду певної полярності? Розрахунки показали, що CaZn2N2 успішно сплавляється зі структурно близьким CaMg2N2, і що ширина забороненої зони практично прямо пропорційна вмісту останнього. Звузити заборонену зону дозволяє сплавлення з SrZn2N2, хоча це складно зробити через низьку розчинність в CaZn2N2. Контроль щільності носіїв заряду також можливий за рахунок легування. Все це виглядає багатообіцяюче, але як така система поведе себе в житті, і чи вийде використовувати її для фотовольтаїки, покаже майбутнє.