En ny strategi for fremstilling af pn-junction i enkeltkrystallinske Si nanotråde, vridning

Kan enkeltkrystallinske materialer bruges til lavdimensionelle p-n-forbindelsesdesign? Dette er et åbent og langvarigt problem. Mikroskopiske simuleringer baseret på den generaliserede Bloch-sætning viser, at i enkeltkrystallinske Si nanotråde, en aksial drejning kan føre til adskillelse af p-type og n-type doteringsmidler langs nanotrådens radiale dimension, og realiserer dermed p-n krydset. En bond orbital analyse afslører, at dette skyldes den twist-inducerede inhomogene forskydningsbelastning i nanotråden.

Hvis en halvlederkrystal er doteret med n-type doteringsmidler i en region og med p-type doteringsmidler i en anden region, en p-n-forbindelseskonfiguration dannes. P-n junctions er grundlæggende bygningsenheder af lysemitterende dioder, solceller og andre halvledertransistorer. P-n-kryds i nanostrukturer forventes også at være de grundlæggende enheder i næste generations nano-enheder. Imidlertid, på grund af den stærke tiltrækning mellem dem, n-type doteringsmidler og p-type doteringsmidler har tendens til at danne neutrale par. Som resultat, p-n krydset fejler. For at forhindre en sådan tiltrækning mellem n-type dopingmidler og p-type dopingmidler, heterostrukturer introduceres, hvor et halvledermateriale er doteret med n-type doteringsmidler, mens det andet er doteret med p-type doteringsmidler, og grænsefladen mellem to forskellige halvledermaterialer fungerer som en energibarriere mellem n-type dopingmidler og p-type dopingmidler. Ja, brugen af ​​heterostrukturer står for et paradigme for materialedesignet af p-n kryds. For nylig, lignende pn-forbindelseskonfigurationer er også mulige for nanotrådsheterostrukturer såsom koaksiale kerne-skal nanotråde. Imidlertid, der er flere begrænsninger i nanotråds heterostrukturer. For eksempel, syntesen af ​​kerne-skal nanotråde involverer normalt en to-trins proces, hvilket koster ekstra. Ofte er skallen af ​​den opnåede nanotrådsheterostruktur polykrystallinsk. En sådan ufuldkommenhed går dårligt med transporter af transportører. Desuden, grænsefladen mellem kernen og skallen introducerer også skadelige dybe centre, der i høj grad hindrer enhedens effektivitet.

Kan vi lave p-n-kryds med enkeltkrystallinske nanotråde? Ærligt talt, svaret vil være "Nej", hvis man tænker problemet intuitivt. Ja, svarende til hovedparten, p-type dopingmidler og n-type dopanter i en codoteret enkeltkrystallinsk nanotråd føler også stærk Coulomb-tiltrækning. Uden en grænseflade, hvordan kan vi overvinde en sådan tiltrækning? Det kræver en effektiv modulering/kontrol af de rumlige besættelsessteder, dvs. rumlig fordeling, af dopingmidler. Faktisk, dette er et af de mangeårige og grundlæggende spørgsmål vedrørende doping i halvledere. Fra et materialeteknisk synspunkt, dette kan tilskrives svigt af konventionelle tilgange såsom hydrostatisk, biaksiale og enaksede spændinger på moduleringen af ​​den rumlige fordeling af dopingstoffer. Imidlertid, da alle disse nævnte forvrængninger er ensartede, kan vi bruge nogle inhomogene, såsom vridning? Faktisk, vridning af strukturer repræsenterer et fokus for nyere forskning i kondenseret stoffysik i lave dimensioner.

I et nyt blad udgivet i National Science Review , et team af videnskabsmænd fra Beijing Normal University, Chinse University of Hong Kong, og Beijing Computational Science Research Center præsenterer deres teoretiske fremskridt af codoperet Si nanotråd under snoning. De anvender både mikroskopiske simuleringer baseret på den generaliserede Bloch-sætning og analytisk modellering baseret på bindingsorbitalteorien til at udføre undersøgelsen og levere fysikken bag.

Interessant nok, vridning har væsentlig indflydelse på fordelingen af ​​dopingstoffer i nanotråde. Fra den viste figur, i en snoet Si nanotråd, et dopingmiddel af større atomstørrelse (såsom Sb) har en lavere dannelsesenergi, hvis det optager et atomsted tættere på nanotrådsoverfladen; På det modsatte, et dopingmiddel med mindre atomstørrelse (såsom B) har en lavere dannelsesenergi, hvis det optager et atomsted omkring nanotrådkernen. Ifølge deres beregninger, det er muligt at adskille n-type og p-type dopingmidler i den codopede nanotråd med korrekte valg af codoping-par, f.eks., B og Sb. En bindings-orbitalanalyse afslører, at det er den twist-inducerede inhomogene forskydningsbelastning langs nanotrådens radiale dimension, der driver den effektive modulation. Disse resultater understøttes fuldt ud af tæthedsfunktionelle tæt-bindingsbaserede generaliserede Bloch-sætningssimuleringer.

Denne nye strategi forenkler i høj grad fremstillingsprocessen og sænker produktionsomkostningerne. Hvis vridningen påføres, når enheden er i arbejdstilstand, rekombinationen af ​​forskellige typer dopingmidler er stort set undertrykt. Selv hvis vridningen fjernes, når enheden er i funktionstilstand, på grund af den begrænsede spredning, rekombinationen er stadig svær.