Elektrisch gedoteerde apparaten op nanoschaal met behulp van de eerste-principebenadering:een uitgebreid onderzoek

Abstract

Doping is het belangrijkste kenmerk bij de fabricage van halfgeleiderapparaten. Op het gebied van de halfgeleiderfysica zijn de afgelopen decennia veel strategieën ontdekt voor het beheersen van doping. Elektrische doping is een veelbelovende strategie die wordt gebruikt voor het effectief afstemmen van de ladingspopulaties, elektronische eigenschappen en transmissie-eigenschappen. Dit dopingproces vermindert het risico op hoge temperatuur, besmetting van vreemde deeltjes. Aanzienlijke experimentele en theoretische inspanningen worden gedemonstreerd om de kenmerken van elektrische doping in de afgelopen decennia te bestuderen. In dit artikel gaan we eerst kort in op de historische roadmap van elektrische doping. Ten tweede bespreken we elektrische doping op moleculair niveau. Daarom zullen we enkele experimentele werken op moleculair niveau bespreken, samen met een verscheidenheid aan onderzoekswerken die zijn uitgevoerd op basis van elektrische doping. Dan komen we erachter wat het belang is van elektrische doping en het belang ervan. Verder beschrijven we de methoden van elektrische doping. Ten slotte sluiten we af met een korte vergelijkende studie tussen elektrische en conventionele dopingmethoden.

Inleiding

Doping speelt een cruciale rol bij het bepalen van fysieke kenmerken en hun toepassingen van verschillende organische of anorganische materialen, vooral voor halfgeleiders. Deze methode is met succes bewezen voor de halfgeleiderfysica-industrie. Een kleine hoeveelheid toevoeging van onzuiverheden bepaalt de doteringsconcentratie en elektrische geleidbaarheid van de materialen. Er wordt waargenomen dat een ideaal doteermiddel een ideale oplosbaarheid in zijn gastheermateriaal zou moeten vertonen, en het vertoont ook een laag defectniveau. Sommige basisproblemen houden echter verband met dit type conventioneel dopingproces, bijvoorbeeld een dopingknelpunt dat de prestaties van het apparaat sterk beïnvloedt. Dit type prestatievermindering is ernstig waargenomen bij materialen met een brede bandgap.

In het geval van bijvoorbeeld de minima van een apparaat met een hoge geleidingsband, is doping van het n-type een uitdaging, terwijl het voor maxima van het apparaat met een lage valentieband ook gecompliceerd is [1, 2]. Daarom doen zich enkele problemen voor bij het bipolaire doteringsproces in breedbandige halfgeleiders. Er is waargenomen dat zowel p-type als n-type doteringsmiddelen kunnen worden ingevoegd, maar niet samen [3]. Om dit soort problemen te compenseren, is daarom een haalbare oplossing opgenomen in het domein van doping. Dit type voorgestelde benadering staat bekend als elektrische doping, die niet afhankelijk is van dit type bipolaire doping. Elektrische doping is geïntroduceerd om de problemen van bipolaire doping op te lossen. Aan het eind van de jaren tachtig en negentig merkten onderzoekers op dat III-V-verbindingen zoals een eenkristal van GaN moeilijk te kweken zijn. Sterker nog, voor commercieel gebruik waren GaN-substraten eind jaren negentig ook niet beschikbaar. De reden erachter werd op zo'n manier uitgelegd dat het verschil tussen roosterconstanten en thermische uitzettingscoëfficiënten van het saffiersubstraat en de GaN-halfgeleider het moeilijk maakte om een hoogwaardige, op GaN gebaseerde epitaxiale laag op het saffiersubstraat te laten groeien. Aan de andere kant was het bijna onmogelijk om een p-type GaN-halfgeleider te verkrijgen vanwege combinaties van hoge n-type achtergrondconcentratie en lage p-type doteringsactiviteit. Dit probleem kan aanzienlijk worden overwonnen met behulp van het elektrische dopingfenomeen van Rudaz in het jaar 1998. Tijdens de late jaren 1980 ontdekten wetenschappers het belang van het kweken van GaN- of AlN-bufferlagen om GaN-gebaseerde LED bij lage temperaturen te demonstreren. Thermisch gloeiproces na de groei helpt de groei van p-type doteermiddelen in GaN-bufferlagen te activeren. Deze vooruitgang versnelde de groei in apparaatontwikkeling van het III-V nitride halfgeleidermateriaalsysteem voor breedband opto-elektronische apparaten [4]. GaN-substraat en thermisch gloeiproces na de groei spelen ook een belangrijke rol in deze techniek [5,6,7]. Sinds de laatste decennia speelt plasma-etstechnologie een belangrijke rol in ultragrootschalige technologie (ULSI) om de patroongrootte te verkleinen. Dit leidde ons naar de evolutie van nanotechnologie. Tegelijkertijd kreeg de plasmatechnologie bijvoorbeeld te maken met enkele inherente problemen; opbouw van lading, foton-UV-straling en etsprestaties voor apparaten op nanoschaal. Om deze problemen op te lossen en praktische apparaten op nanoschaal te fabriceren, is een etsproces met neutrale stralen in het veld gekomen. S. Samukawa heeft deze neutrale bundelbronnen geïntroduceerd en sprak ook over de combinatie van top-down en bottom-up verwerking voor toekomstige apparaten op nanoschaal. Neutral beams technologie wordt schadevrij geëtst omdat het atomair wordt toegepast. Met behulp van deze techniek kan ook oppervlaktemodificatie van anorganische en organische materialen worden uitgevoerd. Deze techniek is een capabele kandidaat voor de praktische fabricagetechnologie voor toekomstige nanodevices [8]. Deze plasmatechnologie met hoge dichtheid omvat inductief gekoppeld plasma (ICP) en elektron-cyclotron-resonantie (ECR) plasma, de belangrijkste methoden voor de implementatie van deze plasmatechniek. Maar er zijn verschillende problemen verbonden aan deze techniek, zoals

Verschillende soorten straling kunnen de ladingsopbouw van positieve ionen en elektronen beschadigen [8,9,10,11,12].
De straling van ultraviolette (UV), vacuüm ultraviolette (VUV) straling kan ook apparaten op nanoschaal beschadigen.
Röntgenfotonen kunnen ook leiden tot breuk van apparaten op nanoschaal tijdens dit plasma-etsprobleem [13,14,15,16,17,18,19,20,21].
Vanwege de ladingsopbouw als gevolg van spanningsopwekking die de ionentrajecten vervormt, leidt dit ook tot breuk van dunne gate-oxidefilms.
Daarnaast leiden UV- of VUV-fotonen die uitstralen door de high-density plasma-etstechniek tot kristaldefecten.

Deze problemen verslechteren de elektrische eigenschappen van apparaten op nanoschaal sterk. Daarom kunnen deze problemen worden vermeden door gebruik te maken van een hoogwaardig etssysteem met neutrale bundel. S. Samukawa en zijn groep hebben een zeer efficiënte bron met neutrale straal uitgevonden om de ultieme top-down ets voor toekomstige nanoschaal-apparaten te realiseren. Ze introduceerden de ultieme etsprocessen voor toekomstige apparaten op nanoschaal van 50 nm tot sub-10 nm door gebruik te maken van onze nieuwe neutrale straalbronnen.

Deze brief is dan ook als volgt opgebouwd. Eerst wordt kort de historische roadmap van elektrische doping besproken. Daarna zullen we wat experimenteel werk op moleculair niveau bespreken, aangezien dit dopingproces ook zijn impact heeft op moleculair niveau. Daarna geven we korte discussies over verschillende onderzoekswerkzaamheden die verband houden met het elektrische dopingproces. Enkele van de belangrijke aspecten van elektrische doping worden in de volgende sectie beschreven. Verder beschrijven we de methode van het elektrische dopingproces. Ten slotte sluiten we af met een korte bespreking van de vergelijkende studie tussen conventionele doping en elektrische doping.

Historische routekaart voor elektrische doping

Hoewel deze studie zich vooral concentreert op elektrische doping op moleculair niveau, is het belangrijk om eerst de vroege geschiedenis van conventionele doping te bekijken. In het jaar 1930 werd opgemerkt dat de geleidbaarheid van halfgeleiders werd beïnvloed door de aanwezigheid van een klein aantal onzuiverheden [2, 22, 23]. In het jaar 1931 werd het eerste kwantummechanische formalisme gebruikt voor halfgeleidende materialen [24]. Het prototype van een p-n-overgang werd in 1938 door Davydov met succes gedemonstreerd [25, 26]. In dit artikel werd het belang van minderheidsdragers uitgelegd. Woodyard introduceerde het concept van 'doping'. Hij verwerkte een kleine hoeveelheid fosfor, arseen of antimoon in puur germanium. Deze toevoeging van onzuiverheden verhoogt de elektrische eigenschappen van germanium [27]. Shockley stelde zijn historische uitvinding voor, d.w.z. "junctietransistor" in het jaar 1949. Deze uitvinding verandert de geometrie van de halfgeleiderindustrie [28]. Hoewel de uitvinding van de bipolaire junctie een tsunami betekende voor de evolutie in de halfgeleiderindustrie, had het ook verschillende problemen met betrekking tot transistors. Twee p-n-lagen moeten bijvoorbeeld rug aan rug worden samengevoegd in een dunne ruimte. Dit probleem werd verholpen na de uitvinding van de "gegroeide junctietransistor" in het laboratorium van Bell in het jaar 1950 met behulp van een dubbele dopingmethode [29, 30]. In het geval van het "dubbele doping"-proces werd een snufje gallium toegevoegd aan het gesmolten n-type germanium, dat germanium in p-type transformeerde. Daarna werd er een snufje antimoon aan toegevoegd dat het transformeert van p-type terug naar n-type [31]. In dit proces werden twee soorten doteermiddelen rug aan rug toegevoegd. Er is een andere vorm van doping die in het begin van de jaren vijftig werd ontwikkeld, die bekend staat als 'co-doping'. De p- en n-overgangen worden beschouwd als "co-doping" van een halfgeleider. Ook de doping op moleculair niveau is een belangrijk onderdeel van elektrische doping. In het jaar 1998 stelde Rudaz een methode voor om het effect van elektrische doping te maximaliseren door materiaalscheuren voor III-V-halfgeleiders te verminderen [4]. In het jaar 2002, Zhou et al. demonstreerde vacuüm gedeponeerde transparante organische lichtemitterende diode die ook een laagspanningsapparaat is door gebruik te maken van het elektrische doteringsproces. Elektrische doping speelt een cruciale rol om de prestaties van organische apparaten te verbeteren. Bij organische LED's (OLED's) vindt elektrisch gedoteerde dragerinjectie plaats. De transportlagen vertonen lage stuurspanningen, wat over het algemeen te wijten is aan de radicale anionen, kationen en ohmse contacten aan het einde van de elektrode-interfaces. OLED's met ultralaag voltage worden vacuüm gedeponeerd met 2,6 V voor 100 cd/m² in p–i–n structuur. Daarom is een intrinsieke emissie ingeklemd tussen p- en n-type transportlaag met brede bandgap. De activiteiten met betrekking tot elektrische doping in organische moleculaire films worden benadrukt in enkele onderzoeken [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].

Dit is een van de procedures om het ionische bombardementsproces in de ontwerpbenadering van apparaten op atomaire schaal te vermijden. Gao en Kahn [43] hebben dit proces aangetoond op de moleculaire dunne films. Deze verbindingen zijn bijvoorbeeld polycarbonaatpolymeer met tris(4-broomfenyl)aminehexachloorantimonaat (TBAHA) 4,4′,4″-tris(3-methylfenylfenylamino)trifenylamine (m-MTDATA) gattransportlaag p gedoteerd met F4-TCNQ worden gebruikt om met succes verschillende OLED's samengestelde apparaatlagen te fabriceren [45, 46]. Dit proces is ook gebruikt in organische fotovoltaïsche cellen (OPVC). Dit proces is ook gebruikt voor afstemming op moleculair niveau en ook voor het verbeteren van de efficiëntie van het apparaat door middel van dragerinjectie. De geleidbaarheid van de moleculaire film neemt in hoge mate toe voor n- en p-type dotering door gebruik te maken van dit proces. Dit doteringsproces wordt veelvuldig gebruikt voor ohmse contacten op anorganische halfgeleiders [43,44,45,46]. Tegenwoordig bevatten organische LED's effectieve beelden op het gebied van moleculaire nanotechnologie. In III-V-halfgeleiders kunnen met behulp van dit doteringsproces n-type contacten en invoeging van n-type externe moleculen mogelijk worden gemaakt. Elektrische dotering helpt ook om het fenomeen mogelijk te maken zoals elektrische weerstand, invoeging van dragers, recombinatie van dragers in de moleculaire interfacelaag. Organische fotovoltaïsche cellen (OPVC) is een van de meest relevante toepassingen van het fenomeen elektrische doping. In het proces van niveau-uitlijning voor OPVC, werkt dit proces op de geleidbaarheid van deze cellen. Het inbrengen van ladingsdragers wordt uiteindelijk vergroot door deze methode. In het geval van meta-organische interfaces begint deze methode en leidt tot de opstelling van een uitputtingslaag waardoor transmissie van quantumtunneling kan plaatsvinden. Dit is een van de efficiënte processen die effectief kan worden gebruikt voor organische en anorganische contactfabricage. Dit proces helpt ook om de ladingsneutraliteitsniveaus voor moleculaire dunne films te verschuiven. Daarnaast kan met deze methode ongeveer 0,1 tot 1% van de vreemde moleculen aan de moleculaire grensvlakken worden toegevoegd. Deze hoeveelheid dopingconcentratie is een groot aantal voor de conventionele dopingmethode. Dit niveau van dopingconcentratie helpt bij het genereren van gedegenereerde halfgeleiders. Deze hoge dopingconcentratie helpt de daaropvolgende vorming van door doen veroorzaakte banden te voorkomen [34, 43,44,45,46].

Elektrisch dopingproces en het belang ervan

De belangrijkste en belangrijkste techniek die gekozen is voor de elektrische dopingmethode is om het Fermi-niveau met behulp van dit proces te beheersen. Daarom is deze techniek de laatste decennia erg populair bij anorganische en organische halfgeleiders. Elektrische doping heeft de afgelopen jaren bijzondere aandacht gekregen op het gebied van bio-geïnspireerde nanotechnologie. Elektrische dotering is het proces van het inbrengen of accepteren van elektronische lading in moleculaire films. Het belangrijkste kenmerk van dit proces is dat de conventionele n- en p-doping niet kan worden beperkt om de bipolariteit te bereiken. Het conventionele ionisatieproces wordt niet toegepast voor dit type elektrisch doteringsproces [43,44,45,46]. De elektrische dopingprocedure is geïntroduceerd om ionenbombardement te voorkomen, wat over het algemeen niet mogelijk is voor het modelleren van apparaten op nanoschaal.

Deze dopingmethode werd voornamelijk in twee stappen bepaald:

De eerste stap betreft een enkele elektronenoverdracht van donor naar acceptor (in moleculen).
Ten tweede wordt het geassocieerd met de methode van dissociatie van het geheeltallige ladingsoverdrachtscomplex van de grondtoestand.

Het wordt dus bevestigd dat elektrische doping niets anders is dan een verschuiving van het Fermi-niveau naar het hoogste bezette (valentieband) moleculaire niveau of de laagste onbezette (geleidingsband) moleculaire toestand. Als de gratis provider ρ . is , N _A ⁻ is geïoniseerde doteringsdichtheid, N _A is de neutrale doteerstofconcentratie, dan moet de dichtheid van de vrije drager worden geformuleerd zoals in Vgl. (1). In deze vergelijking, E _A en E _F zijn de acceptor en Fermi-niveau energieën en K _B is de Boltzmann-constante bij absolute temperatuur T [124].

$$\rho =N_{{\text{A}}}^{ - } =\frac{{{N_{{\text{A}}} }}{{1 + \exp \left( {\frac{{ E_{{\text{A}}} - E_{{\text{F}}} }}{{K_{{\text{B}}} T}}} \right)}}$$ (1)

Deze dopingtechniek is uitgevoerd met behulp van ontwerptechnieken met twee sondes in Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). Het aantal bio-geïnspireerde atomistische apparaten vormt de kern van nanotechnologie. Deze apparaten werken op een ultrahoge THz-frequentie. De frequentie die voor deze apparaten wordt berekend, ligt rond THz. Bijvoorbeeld in een artikel waarin de transportkarakteristieken voor GaAs-Adenine-GaAs halfgeleidertunneljunctie worden geïllustreerd. In dat artikel wordt de werkfrequentie gerapporteerd over 25THz [125].

Doping is een opzettelijke inductie van externe onzuiverheden in een puur halfgeleidermateriaal vanwege verbeterde elektrische prestaties. Het belang van een elektrisch dopingproces kan als volgt worden beschreven.

Deze elektrische dopingprocedure is anders dan de conventionele dopingprocedure. In het geval van het conventionele doteringsproces wordt het halfgeleidermateriaal gedoteerd met extrinsieke doteermiddelen of onzuiverheden. Dit proces is het proces op hoge temperatuur. Er is een kans op breuk van bindingen die kan optreden tijdens dit dopingproces bij hoge temperatuur. De ionisatiemethode wordt ook gebruikt om deze dopingmethode te implementeren. Aan de andere kant is het elektrische dopingproces helemaal niet gerelateerd aan onzuiverheden. Net als bij deze procedure worden aan de twee uiteinden van het apparaat tegengestelde potentiële ladingen geïnduceerd. Daarom zal het een potentiële daling genereren in het centrale moleculaire gebied van het nanodevice. Deze methode is heel nuttig voor het ontwerpen van nanodevices, omdat de ionisatiemethode structurele vervorming voor de nanomaterialen kan genereren. Bij conventionele doping kunnen zich verschillende problemen voordoen. Enkele van de belangrijkste problemen staan vermeld in tabel 1. Het onderscheid tussen conventionele en elektrische doping is weergegeven in tabel 1, en het helpt ook te begrijpen hoe elektrische doping belangrijk is voor de fabricage van apparaten op nanoschaal.

Deze tabel 1 laat zien waarom elektrische doping belangrijk is op moleculair niveau. Deze doping vermijdt de warmteontwikkeling, interatomaire of intermoleculaire reactie en is compatibel met elk soort ontwerpprocedure voor apparaten op nanoschaal.

In dit artikel wordt vooral het elektrische dopingproces uitgelicht. Deze dopingmethode is nuttig voor de fabricage van apparaten op nanoschaal, voornamelijk moleculaire dunnefilmbereiding. Bij deze methode vindt het inbrengen van ladingsdragers plaats aan de twee uiteinden van het moleculaire apparaat. Dit proces wordt ook weergegeven in Fig. 1. Dit diagram geeft de eenvoudige elektrische dopingmethode weer. Deze afbeelding laat ook zien hoe potentiaaldaling is ontstaan als gevolg van het inbrengen van twee gelijke maar tegengestelde ladingsdragers bij de twee uiteinden van elektroden. Deze elektroden zijn het belangrijkste onderdeel van het moleculaire apparaat. Het inbrengen van de lading kan via deze elektroden gebeuren. Deze gelijke en tegengestelde lading creëert een potentiële daling in het centrale moleculaire gebied. Deze potentiaaldaling fungeert als de drijvende kracht van ladingsgeleiding tussen twee elektroden, d.w.z. door het centrale moleculaire deel. Dit is het eigenlijke proces van elektrische doping. Hoewel dit proces tegenwoordig voornamelijk wordt gebruikt bij analytische of theoretische modellering van apparaten op nanoschaal, is het ook nuttig voor de bereiding van organische en anorganische moleculaire dunne film.

Schematisch diagram van het conceptuele elektrische dopingproces

Afbeelding 1 laat zien hoe elektronen of ladingsdragers van de ene elektrode naar de andere richting stromen als gevolg van de potentiaalval die is ontstaan als gevolg van variatie in voorspanning aan de twee uiteinden van elektroden.

Elektrische doping op moleculair niveau

Onlangs zijn onderzoekers geïnteresseerd in gecontroleerde dopingprocedures. Daarom helpt deze elektrische doteringsprocedure bij het introduceren van gecontroleerde doping voor anorganische halfgeleiders. Het is dus ook nuttig om de elektrische eigenschappen van deze halfgeleiders af te stemmen door elektrische dotering te introduceren. Dit dopingfenomeen helpt om de optische kloof van halfgeleiders af te stemmen met hun chemische variatie. Deze dopingprocedure is ook een goedkoop proces en nuttig voor flexibele substraten.

De elektrische dopingprocedure is de methode waarmee een potentiaalverschil is gecreëerd tussen de twee uiteinden van het nanodevice. In dit theoretische werk [47,48,49,50,51,52] hebben we dit geregeld door een spanning van verschillende polariteit maar met dezelfde waarde aan de twee uiteinden van het nano-apparaat te leveren via elektroden met twee sondes. Het schematische diagram voor dit theoretische proces wordt getoond in Fig. 2.

Schematisch diagram van het conceptuele elektrische dopingproces (met behulp van ATK-VNL)

Deze theoretische benadering is bedoeld om sterk gedoteerde positieve (p+) en negatieve (n+) regio's te creëren, die belangrijk zijn bij het ontwerpen van nanohalfgeleiderapparaten voor zowel organische als anorganische materialen.

Met behulp van deze procedure worden ladingsdragers in de moleculaire interfaces geïnjecteerd. Elektrische dotering is een gecontroleerd proces voor organische moleculen in plaats van anorganische dunne films. Daarom zijn conventionele p- en n-doteringsmiddelen niet verplicht voor insertie. Uiteindelijk verhoogt elektrische dotering de injectie van de drager en verlaagt de aandrijfspanning, wat leidt tot een toename van de efficiëntie van het apparaat. De elektrische dopingmethode hangt dus uitsluitend af van de injectie van elektronische transmissie of elektronenontvangst in het gastheermolecuul.

De heterojunctieketen is gemaakt met adenine- en thymine-biomoleculen die worden gebruikt om verschillende gassen waar te nemen wanneer de keten door de nanoporie van een GaAs-nanoblad ging [47]. In dat geval wordt ook de elektrische doping geïnduceerd op de twee delen van deze nanosheet. Vanwege de effectieve inductantie toont deze biomoleculaire keten zijn vermogen om de geadsorbeerde vreemde gasmoleculen te detecteren [47]. In het geval van nanodevice design wordt ook ingegaan op adsorptie van moleculen. Zo wordt adsorptie van vluchtige moleculen bij 32 ° C in ZnO-nanodraad onderzocht [53]. Met behulp van op DFT en NEGF op formalismen gebaseerde eerste-principebenadering kan nano-FET worden ontworpen met behulp van verschillende structurele modificaties. Verschillende eigenschappen van deze nano-FET's worden ook waargenomen, bijvoorbeeld schaalbaarheidsbeoordeling, hoogste bezette moleculaire orbitaal-laagste onbezette moleculaire orbitaal (HOMO-LUMO) hiaten, maximaal haalbare stroom, RF-prestaties, lineariteitsonderzoek [54,55,56, 57,58,59,60,61]. Op geconjugeerde co-oligomeren gebaseerde moleculaire diodes kunnen worden ontworpen met behulp van op DFT en NEGF gebaseerde formalismen. De co-oligomeren zijn verbonden met twee elektroden en vormen een moleculaire diode. De energiekloof, stroom-spanning (I-V) karakteristieken, ruimtelijke oriëntaties worden geanalyseerd voor deze diode [62]. De eerste-principebenadering wordt toegepast op de geometrisch geoptimaliseerde nanostructuren van zeven verschillende knooppunten die zijn afgeleid van koolstofnanobuisjes (CNT) met behulp van verschillende linkers [63]. Verschillende soorten diodes kunnen worden geïmplementeerd met behulp van een op DFT- en NEGF-formules gebaseerde eerste-principebenadering. Bijvoorbeeld Schottky-diode, enkele moleculaire diode, spinstroomdiode, bipolaire spindiode, di-block moleculaire diode, achterwaartse diodekarakteristieken worden daarom geïmplementeerd met behulp van deze benadering [64,65,66,67,68].

Moleculair onderzoek werkt op basis van elektrische doping

Elektrische dotering op moleculair niveau speelt een belangrijke rol in nano-elektronica. Onderzoekers zijn zeer geïnteresseerd om deze dopingprocedure te introduceren bij het ontwerpen van apparaten op nanoschaal. Het effect van deze doping helpt om een interface te vormen tussen verschillende moleculaire uitlijningsniveaus. Dit proces is niet alleen nuttig om het moleculaire niveau van organische heterojunctie te bestuderen, maar is ook acceptabel voor anorganische materialen. Deze dotering helpt bij de vorming van het grensvlak met behulp van dipool en equivalente beweging in de vergelijkende positie van het moleculaire grensvlak. Dit proces van elektrische doping is dus acceptabel voor de uitlijning van de moleculaire interface.

Miniaturisering van conventionele elektronische apparaten is tegenwoordig het meest opkomende onderzoeksgebied. Er zijn verschillende benaderingen die ertoe leiden dat onderzoekers worden gemotiveerd om de aard van apparaten op nanoschaal te onderzoeken en te bestuderen. Een van de belangrijkste benaderingen is het ontwerpen en simuleren van analytische nanostructuren. Veel significante apparaten kunnen worden ontworpen met behulp van deze simulatieprocedure en de verkregen resultaten analyseren [47, 55, 56]. Op basis van het resultaat kunnen de onderzoekers de verschillende simulatieparameters wijzigen, evenals de verschillende aspecten van het analytische model op nanoschaal. Van deze simulatiemethoden is de eerste-principebenadering het meest effectieve en populaire proces. Modernisering van elektronische apparaten stimuleert onderzoekers om conventionele apparaten te innoveren in een aangepaste versie. Traditionele halfgeleiderapparaten kunnen bijvoorbeeld worden ontworpen met behulp van biomoleculen. In het geval van biomoleculen in het algemeen zijn nucleobasen zoals adenine, thymine, guanine en cytosine overwogen, die bekend staan als de basisbouwstenen van DNA [47, 55]. Het is heel gebruikelijk om conventionele anorganische halfgeleiderapparaten te construeren op het gebied van nanotechnologie. Het is echter moeilijk om organische elektronische apparaten te bouwen die voornamelijk gebruik maken van biomoleculen. Deze halfgeleiders worden gekarakteriseerd afhankelijk van de doteringseigenschappen. Als de halfgeleider geen onzuiverheidsdoping heeft, wordt deze intrinsieke of zuivere halfgeleider genoemd. Aan de andere kant, als de halfgeleider is gedoteerd met vreemde atomen of moleculen, staat deze bekend als een extrinsieke of onzuivere halfgeleider [55,56,57,58,59,60].

Tegenwoordig is het ontwerpen van apparaten op nanoschaal een uitdagend aspect voor onderzoekers. Diode, transistor, logische poorten zijn al geïmplementeerd op moleculair niveau. Er is nog een andere mogelijkheid voor onderzoekers om nanobiohalfgeleiderapparaten op moleculair niveau te implementeren. Sommige van deze biomoleculaire apparaten zijn al geïntroduceerd in de arena van de biogeneeskunde. Het theoretische ontwerp van deze nanodevices is geïmplementeerd met behulp van de op Atomistix-Tool Kit en Virtual Nano Laboratory (ATK-VNL) gebaseerde Quantumwise-softwaresimulator versie 13.8.0 [69,70,71,72,73,74,75,76] . Zelfs Quantum Cellular Automata (QCA)-logica kan theoretisch worden geïmplementeerd met behulp van DFT en NEGF-gebaseerde eerste-principebenadering [77]. Met behulp van biomoleculen kunnen verschillende logische poorten worden ontworpen en de resultaten die zijn verkregen uit deze theoretische implicaties zijn ook gevalideerd met behulp van Multi-Sim of SPICE of andere simulatoren [70]. Het elektrische doteringsproces is het belangrijkste kenmerk dat wordt geïntroduceerd om een optimale stroom te verkrijgen. Tunnelstroom door het moleculaire kanaal wordt beïnvloed door verschillende factoren, zoals het terugverstrooiingseffect, enz. Door dit dopingproces te implementeren, kunnen we de problemen vermijden die verband houden met het conventionele dopingproces. Het dipoolcombinatiemodel voor het afstemmen van Schottky-barrières wordt ook gesuggereerd op het metaal-halfgeleiderinterface op moleculair niveau [78]. De eerste-principebenadering is ook van toepassing op magnetische tunneljuncties en hun kwantumelektronische eigenschappen zijn geanalyseerd [79]. Lekstroom berekenen via SiO₂ en SiO_x N_j -gebaseerde MOSFET, gebruikten onderzoekers een op DFT en NEGF gebaseerde eerste-principebenadering [80]. Deze ab-initio-modellering wordt toegepast voor het modelleren van Schottky-barrièrehoogte-afstemming met behulp van de yttrium- en nikkelsilicide-interface op atomaire schaal [81]. Directe band-naar-band tunneling in reverse-biased MOS2 p-n junction nanoribbon kan worden beschreven met behulp van DFT en NEGF [82]. Het effect van het opnemen van doteringsatomen met tegengestelde polariteiten in de nanodraad vertoont elektrische eigenschappen zoals zenerdiode [83]. Het dual-spin filtereffect is te zien in het halfmetalen yttriumnitriet YN₂ [84]. Onderzoek van biomoleculaire FET met heterostructuur kan worden waargenomen met behulp van deze elektrische dopingtechniek. Het kwantumballistische transport kan worden waargenomen met behulp van dit elektrische dopingfenomeen op moleculair niveau [85]. Met behulp van deze theoretische benadering wordt een elektrisch gedoteerde biomoleculaire schakelaar ontworpen bij gebruik van enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT) als elektroden [86]. NEGF-formalismen helpen bij het ontwerpen van op grafeen gebaseerde anti-dot resonante tunneldiodes [87]. Atomistische kenmerken van tweedimensionale silicium p-n-overgangen zijn aangetoond met behulp van de eerste-principebenadering [88]. Diode en transistors zijn de basisbouwstenen van elk elektronisch circuit. Logische poorten kunnen ook worden geïmplementeerd met behulp van diodes en transistors. Daarom kan elke logica worden geïmplementeerd met behulp van eerste-principe formalismen.

In de recente trend van nanotechnologie zijn onderzoekers geïnteresseerd in het ontwerpen en karakteriseren van de verschillende elektromechanische kenmerken van bio-geïnspireerde en halfgeleiderapparaten op atomaire schaal. Deze bio-geïnspireerde apparaten zijn zeer biocompatibel en vormen een brug tussen het halfgeleidende gebied en de bimoleculaire onderzoeksarena. CMOS-technologie is al verzadigd. Het doel van de onderzoekers is dan ook om hen te vervangen en een brug te slaan. De onderzoekers hebben al verschillende voorstellen gedaan om de CMOS-technologie te combineren met bio-geïnspireerde technologie zoals DNA of andere biomoleculen. De belangrijke onderdelen van het DNA zijn adenine, thymine, cytosine en guanine stikstofbasen. Deze stikstofbasen hebben composieten gemaakt met ribosesuiker- en fosfaatgroepen om oligonucleotide te vormen. Dit oligonucleotide heeft fosfaatgroepen als ruggengraat. Correlaties voor dynamische signalen zijn verbeterd voor de identificatie van biomoleculen en DNA [89]. DNA-translocatie, elektronische transmissie en semi-empirische modellering door grafeen-nanoporie kunnen ook theoretisch mogelijk worden gemaakt met behulp van DFT en NEGF [90,91,92,93]. DNA-analyse kan ook mogelijk worden gemaakt met grafeenelektroden met behulp van semi-empirische modellering [94]. Het herkennen van nucleïnezuurbasenparen met behulp van transversale transporteigenschappen is ook mogelijk gemaakt [95]. Geleiding door geschoten DNA is ook voorgesteld door de groep onderzoekers [96]. Elektronische verbetering door middel van een dopingprocedure voor de DNA-basenparen is ook ingebouwd om de geleidbaarheid te verbeteren [97]. De elektronische promotie is ook mogelijk gemaakt door het proces van dubbele protonenoverdracht [98]. Herkenning van nucleotiden door middel van cross-tunneling was ook mogelijk met behulp van de eerste-principebenadering [99]. Structurele factoren bepalen de geleidbaarheid van DNA, en dit is ook besproken in [100]. De apparaten op nanoschaal vertonen een enorm kwantumtransportfenomeen voor verschillende soorten apparaatmodellering op nanoschaal [56, 58, 59, 101,102,103,104,105,106,107]. Deze apparaten omvatten FET's, diodes en optische schakelaars [60, 68, 108,109,110,111,112,113,114,115,116]. Dit voorgestelde werk is een benadering om een brug te slaan tussen de biomoleculen met III-V-halfgeleidertechnologie. De heterostructuur van biomoleculen en III-V nanokristallijne materialen kan ook worden ontworpen met behulp van de theoretische benadering van het eerste principe. Verder worden elektrische en optische eigenschappen van stikstof en met goud gedoteerd grafeen onderzocht met behulp van eerste-principe formalismen. Het formalisme van het eerste principe wordt gebruikt om de verandering van kwantummechanische eigenschappen te achterhalen en om verschillende elektronische of optische eigenschappen van zowel organische als anorganische moleculen te onderzoeken. Er kan ook onderzoek worden gedaan naar vacature-defect grafeen en Mn-gedoteerde grafeen richting de H₂ S-absorptie. Ferromagnetisme-onderzoek met behulp van de eerste-principebenadering voor met overgangsmetaal gedoteerde AlN-monolaag is ook een opkomende trend. Dopingeffect is onderzocht voor monolaag MoS₂ het gebruik van DFT voor zichtbaar licht is een belangrijk gespreksonderwerp. A study of change of electronic properties was demonstrated for Eu-doped phosphorene based on the first-principle approach. Electromechanical quantum transport features are available for these devices [117,118,119,120,121].

In the year of 1987, Destefanis proposed the electrical doping of HgCdTe using ion implantation and heat treatment method. To increase a large number of pixels into the focal plane array devices, infrared photovoltaic detectors were required. The use of ion implanting HgCdTe was increasing this interest of manufacturers. In this type of manufacturing of photovoltaic infrared detectors, the electrical doping process was introduced. It was revealed that the effect of electrical doping into HgCdTe appeared significantly as the intrinsic properties of diodes were directly related to it [122]. Electrical was also proposed for enhancement of plasmonic absorption on Au-PbS core–shell nanocrystals. This method of doping was implemented using the intra-particle charge transfer method. In this experiment, colloidal nanocrystals were used to be the basic building blocks for solar cells, photo-detectors, etc. In this approach, researchers investigated the electronic properties of colloidal nanocrystalline materials and they also proposed a novel approach to electrical doping to these nanocrystalline solids using intra-particle charge transfer method [123]. The process flow for this simulation work is shown in Fig. 3.

Working flowchart diagram of Quantumwise ATK-VNL [76]

Simulation Methods of Electrical Doping

The analytical design of these molecular devices requires constant innovation and improvement in the field of material science. Density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green’s function (NEGF) are the two key formalisms behind the analytics for the modeling of these nanoscale devices. The first-principle approach combines these two formalisms to describe theoretically these types of nanodimension devices. Extended Hückel theory (EHT) is another key factor to accelerate the design procedure of these atomistic devices [126, 127]. These theoretical modeling procedures help to prevent various problems regarding the nanoscale design like hazards during doping of foreign particles, generation of THz operating frequency, etc. Another aim of this nanoscale design procedure is to operate the device by keeping the electronic temperature at 300 K, i.e., room temperature. III–V semiconductors are optically sound semiconductor material that can be used for the design of various electronic devices. After silicon technology, III–V semiconductor technology is one of the emerging and most desirable areas to be fit in the nanoscale semiconductor technology. Biomolecules (like adenine, thymine, guanine and cytosine) have been introduced to form different nanoscale electronic devices. These biomolecules also exhibit their optical exposure whenever they are simulated at near-UV region (mid-UV-B). In this proposed work the electronic characterization has been made for the simulated nanoscale devices using the first-principle approach. This semiempirical modeling is carried out using EHT for obtaining faster simulation. We aim to design and characterize the III–V materials along with biomolecules using DFT- and NEGF-based first-principle formalisms. This semiempirical design of this bioinspired nanodevices has been carried out using the Quantumwise software simulation package.

To include electrical doping into the molecular devices, the same but opposite charge is to be provided to the two ends of the molecular interface. The electrical doping concentration is calculated using the following procedure:

Let us assume the electrodes are about 1 nm long and with 0.5 nm × 0.5 nm cross-sectional area. For simplification of calculation, we have taken those values. In the script editor, we have located the section for the electrodes calculator and assigned the charge = + 0.01 and − 0.01. For this theoretical study, the Atomistic Tool Kit-Virtual Nano-laboratory (ATK-VNL) software package has been used. This software uses density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green’s function (NEGF)-based first-principle approach. This value is being calculated using the following formula:

Effective doping concentration = doping/volume [1, 70, 71]
Assume, doping charge = ± x V
Assume that, volume = length (a ) × width (b ) × height (c ) = a × b × c
Volume = (a × 10^–7 ) × (b × 10^–7 ) × (c × 10^–7 ) cm⁻³ = abc × 10^–21 /cm³
Effective doping = $\frac{x}{{abc \times 10^{ - 21} }}$ = abc × 10²¹ /cm³ [as we have consider the dimension in nm unit]

The volumes of the electrodes remain constant so from Fig. 4, it can be observed that the doping concentration is directly proportional to the applied bias voltage. This is another reason that we have kept constant the electrode’s size. The little change in electrodes’ size leads to a large change in electrical doping concentration. So by changing the little amount of bias voltage we can be able to generate very high electrical doping into the system using the first-principle approach.

Dependence of effective electrical doping on an applied bias voltage

The electrical doping in this case totally depends on two parameters mainly. They are (1) effective doping charge (charge applied at the two ends of the electrodes) and (2) volume of the nanoscale device. Therefore, the formula of calculating electrical doping is mentioned as doping/volume, so if the length, height or breadth or anyone of the parameter is changed, then the doping concentration is definitely changed. For this type of device structure, volume is a function of length, height, width [70].

Both the temperature and thickness affect the performance of these nanoscale devices. Self-heating effect along with thermal noise generated heat also makes changes in quantum-ballistic transport phenomenon of these devices at this low dimension. Therefore, temperature plays an important role in the device performance. On the other hand, as thickness is related to the volume of the device and effective doping is directly related to volume, thickness also affects device performance. If thickness is changed, then accordingly volume changes which result in changes of doping concentration. Doping concentration is related directly to device performance like channel conductivity, current–voltage characteristics, etc., for these nanoscale devices. Therefore, doping is changed due to thickness changed that will definitely change device performance [70].

Evolution of Electrical Doping

Doping means the addition of explicit impurity atoms to the semiconductor. Doping is the intentional addition of atoms to the intrinsic semiconductor to modulate the electrical properties of intrinsic semiconductors. The electrodes sizes are inserted within the script editor, where we assigned the length of the electrode as 1 nm and cross section 0.5 nm × 0.5 nm. Thus, the nominal charge, i.e., ± 0.01, is set for the two electrodes. This script is processed through the job manager, and the calculated doping value for the electrodes is obtained. For this calculation we pursue the following steps:

Open the New Calculator and select “ATK-SE:Extended Hückel (Device).”
Uncheck “No SCF iteration.”
Keep mesh cutoff to 10 Hartree.
Under “Poisson Solver” set the “Neumann” boundary conditions along A(X) and B(Y) directions.

Figure 5 shows the consolidated form of the comparative study between electrical doping and conventional doping process (using Fe and Ni). This analytical experiment is observed for the thymine nanotube structure which is an example of electrical doping [70]. Fe and Ni atoms are chosen to dope the thymine nanotube, and on the other hand, the molecule is electrically doped [70]. All these results show that amount of electrical doping is much more when compared with conventional doping for little amount of applied bias. Some example works of electrical doping along with its some advantages over conventional doping are discussed in Table 2. It gives a comparative study of electrically doped devices with the existing device modeling which follows the conventional doping method. There are several types of doping, and dopants are available, for example, conventional doping (by adding impurity), electrical doping, co-doping. Generally, two types of dopants are available for conventional doping process, p-type dopants and n-type dopants. They are often called as acceptor and donor impurity atoms. These external impurities are added to the semiconducting materials to enhance their electrical properties mainly conductivity. In the case of the electrical doping process, mainly for analytical modeling using the ATK-VNL approach, we do not proceed with the addition of foreign atoms. Instead of these explicit atom doping, we focus on the change of potential difference at the two ends of the device (mainly at the ends of electrodes). The doping of a semiconductor along with another substance is known as co-doping. For example, when Co and N both are added to MoO₂ nanowires, it will increase the electronic performance of this nanowire [128,129,130]. Various properties like electronic, optical and morphological characteristics of p-doped polyfuran (PF) molecular thin films were investigated by the researchers using a wide range of doping ratios using the electrical doping method. When the doping concentration is ≤ 2%, then it increased the short-circuit current of this PF-based photovoltaic device significantly [44].

Comparative diagram at various electrical dopings along with conventional Fe- and Ni-doping

If we take a close look at the doping concentration from Fig. 6, we can observe that before the year 2000, doping concentration was high, but after that, it becomes lower. Therefore, it can be emphasized that though the device performance has been enhanced, doping concentration is reducing very fast [124, 128, 134,135,136].

Doping concentration year-wise graph

The optical and electrical doping process was also introduced into the silicon with holmium in the year 1999. Intermolecular hybridization state is also governed by the electrical doping process. It was established that for organic semiconductors, molecular electrical doping was found to be at odds when other methods were proved in this field, for example, the formation of polaron. Therefore, the main objective of this study is to propose a polaron-derived state with decreased ionization energy using ultraviolet photoelectrospectroscopy [134]. The electrical doping profile in ferroelectric film capacitors was investigated by the group of researchers using capacitance–voltage measurement. In this experimental study, profiling effect of electrical doping concentration in ferroelectrics was investigated using the following effects of

A field and spatially dependent permittivity.
Domain switching analysis of Schottky profiling [135].

From Fig. 7, we can observe the operating temperature for this type of doping-dependent device operation. Though the graph is a little bit complex, it does not obey any specified rule. Therefore, we can conclude it like that temperature requirement is solely depending on the type of materials that are used for this operation.

Temperature for doping

A new model was proposed for the dissociation of carbon atoms at the copper/silica molecular thin layer interface using catalytically hydrogenated graphene meshes using a semipermanent electrical doping method. This process enables stable electronic doping through C–N bonds. Furthermore, the effect of trap states on the electrical doping for organic semiconductors was also investigated. The direct charge transfer process from the trap state of the host molecules to the dopant molecules raised the electrical effect for organic semiconductors. This type of doping process enhances conductivity. Therefore, trap density and energy are also analyzed using impedance spectroscopy [136].

It is observed clearly from Fig. 8 that the thickness of the wafer layers is reducing year wise. The more the time increasing, the layer thickness reduces, and the performance of the device increases.

The thickness of the wafer

Electrically doped and undoped poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) (PFO) along with tetrafluorotetracyanoquinodimethane films were composed using photoelectron spectroscopy method and also investigated their current–voltage characteristics. Thus, it can be observed that the depletion region was created for the PFO interface. Therefore, the current was increased subsequently [137, 138]. For high-temperature gas sensors, this method of doping plays an important role. The conductivity and gas sensitivity of Ga₂ O₃ thin films was investigated. It was observed that this doping concentration influenced the surface sensitivity [138].

From Fig. 9, it is observed that the cutoff wavelength of the devices reduces sharply within a few decades. Hence, device performance enhanced significantly. Table 3 gives a close look at different characteristics of the devices which follow either electrical doping or conventional doping procedure.

The wavelength of the devices reduces

In this survey, we have reviewed the works which were already established using the electrical doping process. In our works, we used the electrical doping process using the Quantumwise software simulation package in the ATK-VNL atmosphere. The version of this software is 13.8.0. This software simulation is based on first-principle formalisms which is again strongly supported by DFT and NEGF formalisms. Quantumwise is a compact set of atomic-scale modeling tools. These tools were developed in the year of 2003 by some software professionals along with academicians. These ATK-VNL simulations engines help us to calculate the electronic structure as well as to formulate intercorrelations of atomic orbitals. This platform helps us to introduce electrical doping into the molecular level.

Conclusie

This report illustrates briefly a comparison between conventional doping and electrical doping process. Though the electrical doping process is not so newer process, the implementation of this process with the help of DFT- and NEGF-based first-principle approach gives a new twist to this phenomenon. Therefore, electrical doping is to be implemented in many molecular modeling approaches to bring a new era in nanoelectronics. This study takes a close look at the electrical doping phenomenon such as why it is important, how it works for the molecular modeling approach, calculation of electrical doping concentration, etc. Hence, we provide a comparative study between electrical doping and conventional doping process for acepromazine molecule. To conclude it is emphasized that in future this is one of the approaches which will prove itself in the field of nanodevice modeling.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

All the data and material are available in the manuscript.

Afkortingen

DFT:: Dichtheidsfunctionaaltheorie
NEGF:: Non-equilibrium Greens’ function
OPVC:: Organic photovoltaic cell
ATK-VNL:: Atomistix Tool Kit-Virtual Nano-Laboratory
HOMO–LUMO:: Highest occupied molecular orbital–lowest unoccupied molecular orbital
CNT:: Koolstof nanobuisje
I–V:: Stroom–spanning
QCA:: Quantum cellular automata
YN₂ :: Yttrium nitrite
ATK-SE:: Atomistix Tool Kit-Semi-empirical

ZrOx negatieve capaciteit veldeffecttransistor met sub-60 subdrempelzwaaigedrag Fotoluminescentie en stimulerende elektronen-fononkoppeling in CdS-nanodraden met variabele Sn(IV)-doteringsconcentratie

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal