Anspruchsvolle Modellierung

Für die theoretische Modellierung bedeutet dies, dass man die Atome im Kristallgitter des Nanokristall-​Halbleiters nicht einfach als ruhende Punkte betrachten kann, wie dies für normale Halbleiter in der Regel getan wird. «Stattdessen mussten wir jedes der insgesamt mehreren hunderttausend Atome in den vielen Nanokristallen des Materials einzeln mathematisch beschreiben, und wie jedes dieser Atome mit den Ladungsträgern wechselwirkt», erklärt Nuri Yazdani, der in Woods Arbeitsgruppe als Doktorand gearbeitet hat und Erstautor der nun erschienenen Studie ist.

Im Swiss Supercomputing Centre CSCS in Lugano liess er ein komplexes Computerprogramm laufen, in dem alle Details des Problems – die Bewegung der Elektronen und der Atome sowie die Wechselwirkungen zwischen ihnen – berücksichtigt wurden. «Insbesondere wollten wir verstehen, wie Ladungsträger sich zwischen den einzelnen Nanokristallen fortbewegen und warum sie ‘gefangen’ werden und nicht mehr weiterkönnen», sagt Yazadani.

Die Ergebnisse dieser Computersimulationen waren sehr aufschlussreich. Entscheidend dafür, wie ein Material aus vielen Nanokristallen elektrischen Strom leitet, sind demnach von den Elektronen hervorgerufene kleinste Verformungen der Kristalle von nur wenigen Tausendstel Nanometern, die zu einer grossen Änderung der elektrostatischen Energie führen. Wenn eine Ladung das Material verformt, wird dies auch als Polaron bezeichnet, und nach Yazdanis Simulationen fliesst zwischen den Nanokristallen Strom, indem Polaronen von einem Nanokristall auf das nächste überspringen.