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隨著創(chuàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，以在#基本的層面上洞察和處理物質(zhì)，從事材料科學(xué)跨學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家在生產(chǎn)新型材料方面取得了巨大的成功。

通常，該領(lǐng)域科學(xué)家的目的是設(shè)計(jì)具有對(duì)執(zhí)行特定功能有用的特性的材料。例如，這樣的材料可以抗物理破壞或更化學(xué)穩(wěn)定，以可預(yù)測(cè)的方式對(duì)某些環(huán)境條件反應(yīng)，或者具有有益的電磁特性。

馬爾堡大學(xué)的Ralf Tonner博士及其研究團(tuán)隊(duì)一直在努力克服困難，通過(guò)使用基于計(jì)算化學(xué)的策略，以特殊的方式設(shè)計(jì)差壓變送器。Tonner借助斯圖加特高性能計(jì)算中心（HLRS）的計(jì)算資源，對(duì)在原子和亞原子尺度上發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行建模，以洞悉化學(xué)鍵，分子結(jié)構(gòu)，原子之間的相互作用以及電子性能會(huì)影響材料的性能。

從這個(gè)角度來(lái)看，Tonner著迷于研究對(duì)化學(xué)反應(yīng)的了解-原子相互結(jié)合成分子并在彼此接觸時(shí)發(fā)生反應(yīng)的方式-是否可以提供有用的和創(chuàng)新的理解。

在WIREs計(jì)算分子科學(xué)的#新出版物中，Tonner和他的同事Lisa Pecher強(qiáng)調(diào)了使用高性能計(jì)算來(lái)揭示有機(jī)分子和表面之間發(fā)生的迷人現(xiàn)象的計(jì)算化學(xué)策略的潛力。此外，它們更普遍地顯示了與分子和固態(tài)shijie有關(guān)的這些相互作用的感知方式。他們獲得的見(jiàn)解可以證明對(duì)開(kāi)發(fā)圖案化表面有用，這是研究人員致力于下一代高強(qiáng)度，更高效差壓變送器的研究目標(biāo)。

將計(jì)算引入化學(xué)
當(dāng)原子彼此接近時(shí)，它們結(jié)合在一起形成分子和化合物，并隨后共享或交換圍繞原子核運(yùn)行的電子。所涉及的特定原子，分子的物理形狀，能量特征以及它們與其他相鄰分子相互作用的方式都是為化合物提供其好特特征的特征。這些性質(zhì)可以控制化合物是否可能保持穩(wěn)定，或者諸如壓力或溫度變化之類的應(yīng)力是否對(duì)其反應(yīng)性產(chǎn)生影響。

差壓變送器.jpg

湯納（Tonner）采用一種稱為密度泛函理論（DFT）的計(jì)算策略，以量子尺度研究這種性質(zhì)。量子尺度是牛頓力學(xué)被相當(dāng)異乎尋常的量子力學(xué)領(lǐng)域（距離小于100 nm）代替的尺度。DFT涉及使用與分子內(nèi)電子密度變化有關(guān)的信息（也可以借助被廣泛使用的稱為X射線衍射的技術(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的量）來(lái)提取系統(tǒng)的能量。另一方面，這使科學(xué)家們可以推斷出原子核之間的相互作用以及電子與原子核之間的相互作用，這些因素對(duì)于深入了解化學(xué)鍵和反應(yīng)至關(guān)重要。

DFT可以提供有用的（盡管是靜態(tài)的）與正在研究的化合物的能譜相關(guān)的信息。為了更好地了解分子系統(tǒng)在與表面相互作用時(shí)的行為方式，Tonner的團(tuán)隊(duì)還在HLRS上采用了高性能計(jì)算來(lái)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。在這里，研究人員分析了分子系統(tǒng)在原子和電子的水平以及皮秒的時(shí)間尺度（1皮秒是1秒的萬(wàn)億分之一）上隨時(shí)間發(fā)展的方式。

通常在這種計(jì)算中使用2000-3000個(gè)計(jì)算核心，處理一個(gè)星期的問(wèn)題，并且Tonner在HLRS的現(xiàn)有2年資金周期中，已預(yù)算了大約3000萬(wàn)CPU小時(shí)。

邁向光基差壓變送器
Tonner目前一直在使用計(jì)算化學(xué)的領(lǐng)域之一是分析增強(qiáng)硅的方法，以用于創(chuàng)新類型的差壓變送器。在#近的過(guò)去，這個(gè)問(wèn)題變得緊迫，因?yàn)楹苊黠@，微電子領(lǐng)域正在接近其增強(qiáng)僅使用硅的差壓變送器的潛力的極限。

正如Tonner和實(shí)驗(yàn)合作者#近在《貝爾斯坦有機(jī)化學(xué)雜志》上發(fā)表的一篇論文中所報(bào)道的那樣，用砷化鎵（GaAs）或磷化鎵（GaP）等化合物對(duì)硅進(jìn)行功能化可以設(shè)計(jì)出創(chuàng)新類型的差壓變送器。根據(jù)這項(xiàng)基于硅光子學(xué)領(lǐng)域的研究，這種創(chuàng)新材料將使使用光而非電子進(jìn)行信號(hào)傳輸變得可行，從而支持增強(qiáng)型電子設(shè)備的發(fā)展例如，通過(guò)將用于砷化鎵的組成原子的液態(tài)前驅(qū)物分子放在起泡器中來(lái)覆蓋硅平板，隨后將它們引入氣相。這些前體分子由新材料（砷，鎵）所需的原子以及稱為配體的分子或離子形成，以使它們穩(wěn)定在液相和氣相中。這些配體然后在沉積過(guò)程中丟失，并且在將硅放入系統(tǒng)中時(shí)，前體分子被吸附到固體硅表面上。吸附和失去配體后，砷化物和鎵原子與硅鍵合，形成GaAs膜。

原子在吸附到表面時(shí)的排列方式由化學(xué)鍵控制。GaAs前體分子的吸附密度和這些鍵的強(qiáng)度不僅受它們與硅表面之間的距離的影響，還受到前體分子自身之間相互作用的影響。在一種相互作用類型（稱為泡利排斥）中，電子云相互重疊并排斥，從而導(dǎo)致可用于鍵合的能量減少。在另一種類型中（稱為吸引色散相互作用），一個(gè)原子中電子位置的變化導(dǎo)致電子在其他原子中的重新分布，從而使電子運(yùn)動(dòng)趨于和諧，并降低了整個(gè)系統(tǒng)的能量。

早先有人提出，原子之間的排斥關(guān)系是在將原子吸附到表面后“引導(dǎo)”原子到位的#關(guān)鍵因素。研究人員使用密度泛函理論并分析了電子分布方式的有趣方面，以確定原子將其他原子引向表面的位置的電位也可能是由有吸引力的色散相互作用引起的。

對(duì)這些基本相互作用的深入了解應(yīng)該使光學(xué)活性差壓變送器的設(shè)計(jì)人員能夠增強(qiáng)前體分子對(duì)硅的吸附。另一方面，這使得將光信號(hào)傳導(dǎo)與基于硅的微電子技術(shù)相結(jié)合成為可能，并結(jié)合了光和電子傳導(dǎo)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

湯納（Tonner）認(rèn)為，在材料科學(xué)應(yīng)用化學(xué)中使用地衣原理方法非常有前途。