Dispositivos em nanoescala eletricamente dopados usando a abordagem do primeiro princípio:uma pesquisa abrangente

Resumo

O doping é o principal recurso na fabricação de dispositivos semicondutores. Muitas estratégias foram descobertas para controlar o doping na área da física de semicondutores durante as últimas décadas. O doping elétrico é uma estratégia promissora usada para o ajuste eficaz das populações de carga, propriedades eletrônicas e propriedades de transmissão. Este processo de dopagem reduz o risco de alta temperatura, contaminação de partículas estranhas. Esforços experimentais e teóricos significativos são demonstrados para estudar as características do doping elétrico durante as últimas décadas. Neste artigo, primeiro revisamos brevemente o roteiro histórico do doping elétrico. Em segundo lugar, discutiremos o doping elétrico em nível molecular. Assim, revisaremos alguns trabalhos experimentais em nível molecular e revisaremos uma variedade de trabalhos de pesquisa que são realizados com base em dopagem elétrica. Então descobrimos a importância do doping elétrico e sua importância. Além disso, descrevemos os métodos de dopagem elétrica. Por fim, concluímos com um breve estudo comparativo entre os métodos de dopagem elétricos e convencionais.

Introdução

O doping desempenha um papel crucial na determinação das características físicas e suas aplicações de vários materiais orgânicos ou inorgânicos, especialmente para semicondutores. Este método foi comprovado com sucesso para a indústria de física de semicondutores. Uma pequena quantidade de adição de impurezas determina a concentração de dopante e a condutividade elétrica dos materiais. Observa-se que um dopante ideal deve apresentar uma solubilidade ideal em seu material hospedeiro, além de apresentar baixo nível de defeito. No entanto, alguns problemas básicos estão relacionados a este tipo de processo de dopagem convencional, por exemplo, gargalo de dopagem que afeta fortemente o desempenho do dispositivo. Este tipo de degradação de desempenho foi observada severamente para materiais de bandgap largo.

Por exemplo, no caso dos mínimos do dispositivo de banda de alta condução, a dopagem do tipo n é desafiadora, enquanto que para os máximos do dispositivo de banda de baixa valência também é complicada [1, 2]. Portanto, alguns problemas surgem para o processo de dopagem bipolar em semicondutores de banda larga. Observa-se que dopantes do tipo p ou do tipo n podem ser inseridos, mas não juntos [3]. Portanto, para compensar esse tipo de problema, uma solução viável foi incorporada ao domínio do doping. Esse tipo de abordagem proposta é conhecida como dopagem elétrica, que independe desse tipo de dopagem bipolar. O doping elétrico foi introduzido para resolver os problemas do doping bipolar. No final dos anos 1980 e 1990, os pesquisadores observaram que os compostos III-V, como um único cristal de GaN, são difíceis de cultivar. Ainda mais, para uso comercial de substratos GaN também não estavam disponíveis na era do final da década de 1990 '. A razão por trás disso foi explicada de tal maneira que a diferença entre constantes de rede e coeficientes de expansão térmica do substrato de safira e do semicondutor GaN dificultou o crescimento de uma camada epitaxial à base de GaN de alta qualidade no substrato de safira. Por outro lado, era quase impossível obter um semicondutor GaN do tipo p devido às combinações de alta concentração de fundo do tipo n e baixa atividade de dopagem do tipo p. Este problema pode ser superado significativamente usando o fenômeno de dopagem elétrica por Rudaz no ano de 1998. Durante o final da década de 1980, os cientistas descobriram a importância de aumentar as camadas tampão de GaN ou AlN para demonstrar LED baseado em GaN em baixas temperaturas. O processo de recozimento térmico pós-crescimento ajuda a ativar o crescimento de dopantes do tipo p em camadas tampão de GaN. Esses avanços aceleraram o crescimento no desenvolvimento de dispositivos do sistema de material semicondutor de nitreto III-V para dispositivos optoeletrônicos de banda larga [4]. O substrato de GaN e o processo de recozimento térmico pós-crescimento também desempenham um papel importante nesta técnica [5,6,7]. Desde as últimas décadas, a tecnologia de gravação de plasma desempenha um papel importante na tecnologia de ultra-grande escala (ULSI) para reduzir o tamanho do padrão. Isso nos levou à evolução da nanotecnologia. Ao mesmo tempo, a tecnologia de plasma enfrentou alguns problemas inerentes, por exemplo; acúmulo de carga, radiação ultravioleta de fóton junto com desempenho de corrosão para dispositivos em nanoescala. Para remover esses problemas e fabricar dispositivos práticos em nanoescala, o processo de corrosão por feixe neutro entrou em campo. S. Samukawa apresentou essas fontes de feixe neutro e também falou sobre a combinação de processamento de cima para baixo e de baixo para cima para dispositivos em nanoescala de prospecção. A tecnologia de feixes neutros é executada em corrosão sem danos porque é usada atomicamente. Usando esta técnica, a modificação da superfície de materiais inorgânicos e orgânicos também pode ser feita. Esta técnica é um contendor capaz para a tecnologia de fabricação prática para nanodispositivos futuros [8]. Essa tecnologia de plasma de alta densidade inclui plasma indutivamente acoplado (ICP) e plasma de ressonância cíclotron-elétron (ECR), que são os principais métodos para as implementações dessa técnica de plasma. Mas existem vários problemas associados a esta técnica, como

Vários tipos de radiação podem danificar o acúmulo de carga de íons positivos e elétrons [8,9,10,11,12].
A radiação ultravioleta (UV), raio ultravioleta de vácuo (VUV) também pode danificar dispositivos em nanoescala.
Os fótons de raios-X também podem causar a ruptura de dispositivos em nanoescala durante este problema de corrosão de plasma [13,14,15,16,17,18,19,20,21].
Devido ao acúmulo de carga devido às trajetórias de íons de distorção de geração de voltagem, isso também leva à fratura de filmes de óxido de porta fina.
Além disso, os fótons UV ou VUV que irradiam da técnica de corrosão por plasma de alta densidade levam à geração de defeitos de cristal.

Esses problemas degradam fortemente as propriedades elétricas dos dispositivos em nanoescala. Portanto, esses problemas podem ser evitados usando um sistema de corrosão de feixe neutro de alto desempenho. S. Samukawa e seu grupo inventaram uma fonte de feixe neutro altamente eficiente para realizar a gravação de cima para baixo definitiva para futuros dispositivos em nanoescala. Eles introduziram os processos de corrosão definitivos para futuros dispositivos em nanoescala de 50 nm a sub-10 nm ao usar nossas novas fontes de feixe neutro.

Esta carta está, portanto, organizada da seguinte forma. Em primeiro lugar, o roteiro histórico do doping elétrico é brevemente revisado. Depois disso, revisaremos alguns trabalhos experimentais em nível molecular, já que esse processo de dopagem também tem impacto em nível molecular. Em seguida, apresentamos uma breve discussão sobre uma variedade de trabalhos de pesquisa associados ao processo de dopagem elétrica. Algumas das importâncias do doping elétrico são descritas na seção a seguir. Além disso, descrevemos o método do processo de dopagem elétrica. Por fim, concluiremos com uma breve discussão do estudo comparativo entre dopagem convencional e dopagem elétrica.

Roteiro Histórico de Doping Elétrico

Embora este estudo se concentre principalmente no doping elétrico em nível molecular, é importante primeiro revisar a história inicial do doping convencional. No ano de 1930, percebeu-se que a condutividade dos semicondutores era afetada pela presença de um pequeno número de impurezas [2, 22, 23]. No ano de 1931, o primeiro formalismo da mecânica quântica foi usado para materiais semicondutores [24]. O protótipo de uma junção p-n foi demonstrado com sucesso por Davydov no ano de 1938 [25, 26]. Este artigo explica a importância das operadoras minoritárias. Woodyard introduziu o conceito de "doping". Ele incorporou uma pequena porção de fósforo, arsênio ou antimônio ao germânio puro. Esta adição de impurezas aumenta as propriedades elétricas do germânio [27]. Shockley propôs sua invenção histórica, ou seja, “transistor de junção” no ano de 1949. Esta invenção muda a geometria da indústria de semicondutores [28]. Embora a invenção da junção bipolar tenha causado um tsunami na evolução da indústria de semicondutores, ela teve vários problemas também relacionados aos transistores. Por exemplo, duas camadas p-n devem ser juntadas, costas com costas, em um espaço estreito. Este problema foi removido após a invenção do "transistor de junção crescido" no laboratório Bell no ano de 1950, usando um método de dopagem dupla [29, 30]. No caso do processo de “duplo dopagem”, uma pitada de gálio foi adicionada ao germânio tipo n fundido, que transformou o germânio em tipo p. Posteriormente, uma pitada de antimônio foi incluída nele, o que o transforma do tipo p de volta para o tipo n [31]. Dois tipos de dopantes foram adicionados consecutivamente neste processo. Existe outro tipo de doping que se desenvolveu no início dos anos 1950, que é conhecido como “co-doping”. As junções p e n são consideradas como “co-dopagem” de um semicondutor. O doping em nível molecular também é uma parte importante do doping elétrico. No ano de 1998, Rudaz propôs um método para maximizar o efeito do doping elétrico reduzindo a trinca de material para semicondutores III-V [4]. No ano de 2002, Zhou et al. demonstraram diodo emissor de luz orgânico transparente depositado a vácuo, que também é um dispositivo de baixa voltagem usando o processo de dopagem elétrica. A dopagem elétrica desempenha um papel crucial para melhorar o desempenho de dispositivos orgânicos. A injeção de portador eletricamente dopado ocorre para LEDs orgânicos (OLEDs). As camadas de transporte apresentam baixas tensões de acionamento, geralmente devido aos ânions radicais, cátions e contatos ôhmicos nas extremidades das interfaces dos eletrodos. OLEDs de voltagem ultrabaixa são depositados a vácuo com 2,6 V para 100 cd / m ² na estrutura p – i – n. Portanto, uma emissão intrínseca é imprensada entre a camada de transporte de bandgap largo do tipo p e n. As atividades relacionadas ao doping elétrico em filmes moleculares orgânicos são enfatizadas em poucos estudos [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].

Este é um dos procedimentos para evitar o processo de bombardeio iônico na abordagem de projeto de dispositivos em escala atômica. Gao e Kahn [43] demonstraram esse processo em filmes finos moleculares. Estes compostos, por exemplo, polímero de policarbonato com tris (4-bromofenil) amínio hexacloroantimonato (TBAHA) 4,4 ′, 4 ″ -tris (3-metilfenilfenilamino) -trifenilamina (m-MTDATA) camada de transporte de furo p dopado com F4-TCNQ são usados para fabricar com sucesso várias camadas de dispositivos compostos de OLEDs [45, 46]. Este processo também tem sido utilizado em células fotovoltaicas orgânicas (OPVC). Este processo também tem sido usado para ajuste no nível molecular e também para melhorar o aumento da eficiência do dispositivo por injeção de transportador. A condutividade do filme molecular aumenta em grande medida para dopagem do tipo n e p usando este processo. Este processo de dopagem é amplamente utilizado para contatos ôhmicos em semicondutores inorgânicos [43,44,45,46]. Hoje em dia, os LEDs orgânicos armazenam imagens eficazes no campo da nanotecnologia molecular. No semicondutor III-V, usando este processo de dopagem, contatos do tipo n e a inserção de moléculas externas do tipo n podem ser possíveis. O doping elétrico também ajuda a tornar possível fenômenos como resistência elétrica, inserção de portadores, recombinação de portadores na camada de interface molecular. A célula fotovoltaica orgânica (OPVC) é uma das aplicações mais relevantes do fenômeno de dopagem elétrica. No processo de alinhamento de níveis para OPVC, esse processo atua na condutividade dessas células. A inserção da portadora de carga é eventualmente aumentada por este método. No caso de interfaces meta-orgânicas, este método começa e traz para o arranjo de uma camada de depleção através da qual a transmissão de tunelamento quântico pode ocorrer. Este é um dos processos eficientes que podem ser usados com eficácia para a fabricação de contato orgânico e inorgânico. Este processo também ajuda a mudar os níveis de neutralidade de carga para filmes finos moleculares. Além disso, aproximadamente 0,1 a 1% de moléculas estranhas podem ser incluídas usando este método para as interfaces moleculares. Esta quantidade de concentração de dopagem é um grande número para o método de dopagem convencional. Este nível de concentração de dopagem ajuda a gerar semicondutores de geração. Esta alta concentração de dopagem ajuda a prevenir a formação subsequente de bandas induzidas por fazer [34, 43,44,45,46].

Processo de dopagem elétrica e sua importância

A principal técnica escolhida para o método de dopagem elétrica é controlar o nível de Fermi usando este processo. Portanto, essa técnica é muito popular entre os semicondutores inorgânicos e orgânicos nas últimas décadas. O doping elétrico nos últimos anos tem atraído atenção especial no campo da nanotecnologia bioinspirada. Dopagem elétrica é o processo de inserção ou aceitação de cargas eletrônicas em filmes moleculares. A principal característica desse processo é que o doping convencional n e p não pode ser restringido para atingir a bipolaridade. O processo de ionização convencional não é aplicado para este tipo de processo de dopagem elétrica [43,44,45,46]. O procedimento de dopagem elétrica foi introduzido para evitar o bombardeio iônico, que geralmente não é possível para a modelagem de dispositivos em nanoescala.

Este método de doping foi determinado principalmente em duas etapas:

A primeira etapa envolve a transferência de um único elétron do doador para o aceitador (em moléculas).
Em segundo lugar, está associado ao método de dissociação do complexo de transferência de carga inteira do estado fundamental.

Assim, é confirmado que o doping elétrico nada mais é do que um deslocamento do nível de Fermi para o nível molecular mais ocupado (banda de valência) ou para o estado molecular mais baixo desocupado (banda de condução). Se a operadora gratuita for ρ , N _A ^- é densidade dopante ionizada, N _A é a concentração de dopante neutro, então a densidade do transportador livre deve ser formulada como na Eq. (1). Nesta equação, E _A e E _F são as energias aceitadoras e de nível de Fermi e K _B é a constante de Boltzmann na temperatura absoluta 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)
Esta técnica de dopagem foi realizada usando técnicas de design de duas sondas no Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). O número de dispositivos atomísticos bioinspirados está no cerne da nanotecnologia. Esses dispositivos operam em frequência THz ultra-alta. A frequência calculada para esses dispositivos é em torno de THz. Por exemplo, em um artigo, onde as características de transporte para a junção de túnel de semicondutor GaAs-Adenina-GaAs são ilustradas. Nesse artigo, a frequência operacional é relatada em torno de 25THz [125].

O doping é uma indução intencional de impurezas externas em um material semicondutor puro com o objetivo de aumentar o desempenho elétrico. A importância do processo de dopagem elétrica pode ser descrita como segue.

Este procedimento de dopagem elétrica é diferente do processo de dopagem convencional. No caso do processo de dopagem convencional, o material semicondutor é dopado com dopantes extrínsecos ou impurezas. Este processo é o processo de alta temperatura. Há uma chance de quebra de ligações que pode acontecer durante esse processo de dopagem em alta temperatura. O método de ionização também é adotado para implementar este método de dopagem. Por outro lado, o processo de dopagem elétrica não tem nenhuma relação com impurezas. Como neste procedimento, cargas potenciais opostas são induzidas nas duas extremidades do dispositivo. Portanto, isso vai gerar uma potencial queda na região molecular central do nanodispositivo. Este método é bastante útil para o projeto de nanodispositivos porque o método de ionização pode gerar deformação estrutural para os nanomateriais. No caso do doping convencional, vários problemas podem surgir. Alguns dos principais problemas estão listados na Tabela 1. A diferenciação entre dopagem convencional e elétrica é enquadrada na Tabela 1 e também ajuda a entender como o dopagem elétrico é importante para a fabricação de dispositivos em nanoescala.

Esta Tabela 1 mostra porque o doping elétrico é importante para o nível molecular. Este doping evita a geração de calor, reação interatômica ou intermolecular e é compatível para qualquer tipo de procedimento de projeto de dispositivos em nanoescala.

Neste artigo, o processo de dopagem elétrica é principalmente destacado. Este método de dopagem é útil para a fabricação de dispositivos em nanoescala, principalmente na preparação de filme fino molecular. Neste método, a inserção de portadores de carga ocorre nas duas extremidades do dispositivo molecular. Este processo também é ilustrado na Fig. 1. Este diagrama representa o método simples de dopagem elétrica. Esta figura também mostra como a queda de potencial foi criada devido à inserção de dois portadores de carga iguais, mas opostos, nos dois terminais dos eletrodos. Esses eletrodos são a parte importante do dispositivo molecular. A inserção de carga pode ser feita por meio desses eletrodos. Essa carga igual e oposta cria uma queda potencial na região molecular central. Esta queda de potencial atua como a força motriz de condução de carga entre dois eletrodos, ou seja, através da parte molecular central. Este é o processo real de dopagem elétrica. Embora esse processo seja atualmente usado principalmente na modelagem analítica ou teórica de dispositivos em nanoescala, também é útil para a preparação de filmes finos moleculares orgânicos e inorgânicos.

Diagrama esquemático do processo de dopagem elétrica conceitual

A Figura 1 mostra como o elétron ou portador de carga flui de um eletrodo para outra direção devido à queda de potencial que foi imposta devido à variação de polarização nos dois terminais dos eletrodos.

Doping elétrico no nível molecular

Recentemente, pesquisadores estão interessados em procedimentos de dopagem controlada. Portanto, este procedimento de dopagem elétrica ajuda a introduzir a dopagem controlada para semicondutores inorgânicos. Assim, também é útil ajustar as propriedades elétricas desses semicondutores, introduzindo o doping elétrico. Este fenômeno de dopagem ajuda a ajustar o gap óptico dos semicondutores com sua variação química. Este procedimento de dopagem também é um processo de baixo custo e útil para substratos flexíveis.

O procedimento de dopagem elétrica é o método pelo qual uma diferença de potencial foi criada entre as duas extremidades do nanodispositivo. Neste trabalho teórico [47,48,49,50,51,52], organizamos isso fornecendo polaridade diferente, mas voltagem de mesmo valor nas duas extremidades do nanodispositivo por meio de eletrodos de duas sondas. O diagrama esquemático para este processo teórico é mostrado na Fig. 2.

Diagrama esquemático do processo de dopagem elétrica conceitual (usando ATK-VNL)

Esta abordagem teórica está envolvida na criação de regiões altamente dopadas positivas (p +) e negativas (n +), que são importantes para projetar dispositivos nanossemondutores para materiais orgânicos e inorgânicos.

Usando este procedimento, os portadores de carga devem ser injetados nas interfaces moleculares. A dopagem elétrica é um processo controlado para moléculas orgânicas, em vez de filmes finos inorgânicos. Portanto, os dopantes convencionais p e n não são obrigatórios para a inserção. Eventualmente, o doping elétrico aumenta a injeção de portador e diminui a tensão de acionamento, o que leva a um aumento na eficácia do dispositivo. Assim, o método de dopagem elétrica depende unicamente da injeção de transmissão eletrônica ou recepção de elétrons na molécula hospedeira.

A cadeia de heterojunção é feita com biomoléculas de adenina e timina usadas para detectar vários gases quando a cadeia passa pelo nanoporo de uma nanofolha de GaAs [47]. Nesse caso, também o doping elétrico é induzido nas duas partes desta nanofolha. Devido à indutância efetiva, esta cadeia biomolecular mostra sua capacidade de detectar as moléculas de gás estranho adsorvidas [47]. No caso do design de nanodispositivos também é tratada a adsorção de moléculas. Por exemplo, a adsorção de moléculas voláteis na temperatura de 32 ° C em nanofios de ZnO é investigada [53]. Usando a abordagem de primeiro princípio baseada em formalismos DFT e NEGF, o nano-FET pode ser projetado usando várias modificações estruturais. Várias propriedades desses nano-FETs também são observadas, por exemplo, avaliação de escalabilidade, orbital molecular ocupado mais alto - lacunas orbitais moleculares desocupadas mais baixas (HOMO-LUMO), corrente máxima obtida, desempenho de RF, investigação de linearidade [54,55,56, 57,58,59,60,61]. O diodo molecular baseado em co-oligômeros conjugados pode ser projetado usando formalismos baseados em DFT e NEGF. Os coligômeros são conectados com dois eletrodos e formam um diodo molecular. A lacuna de energia, características de corrente-tensão (I-V) e orientações espaciais são analisadas para este diodo [62]. A abordagem do primeiro princípio é aplicada às nanoestruturas geometricamente otimizadas de sete diferentes junções que são derivadas do nanotubo de carbono (CNT) usando diferentes ligantes [63]. Vários tipos de diodos podem ser implementados usando a abordagem de primeiro princípio baseada em fórmulas DFT e NEGF. Por exemplo, diodo Schottky, diodo molecular único, diodo de corrente de spin, diodo de spin bipolar, diodo molecular de di-bloco, características de diodo reverso são, portanto, implementados usando esta abordagem [64,65,66,67,68].

Trabalhos de pesquisa em nível molecular baseados em doping elétrico

O doping elétrico em nível molecular desempenha um papel importante na nanoeletrônica. Os pesquisadores estão muito interessados em apresentar este procedimento de dopagem em um procedimento de projeto de dispositivos em nanoescala. O efeito desse doping ajuda a fazer a interface entre os diferentes níveis moleculares de alinhamento. Este processo não é apenas útil para estudar o nível molecular de heterojunção orgânica, mas também é aceitável para materiais inorgânicos. Este doping auxilia na formação da interface com o auxílio do dipolo e movimento equivalente na posição comparativa da interface molecular. Assim, este processo de dopagem elétrica é aceitável para o alinhamento da interface molecular.

A miniaturização de dispositivos eletrônicos convencionais é a área de pesquisa mais emergente na atualidade. Existem várias abordagens que motivam os pesquisadores a investigar e estudar a natureza dos dispositivos em nanoescala. Uma das abordagens mais importantes é projetar e simular nanoestruturas analíticas. Muitos dispositivos significativos podem ser projetados usando este procedimento de simulação e analisar os resultados obtidos [47, 55, 56]. De acordo com o resultado, os pesquisadores podem modificar os diversos parâmetros de simulação, bem como os diferentes aspectos do modelo analítico em nanoescala. Entre esses métodos de simulação, a abordagem do primeiro princípio é o processo mais eficaz e popular. A modernização dos dispositivos eletrônicos incentiva os pesquisadores a inovar os dispositivos convencionais em uma versão modificada. Por exemplo, dispositivos semicondutores tradicionais podem ser projetados usando biomoléculas. No caso das biomoléculas em geral, foram consideradas nucleobases como adenina, timina, guanina e citosina, que são conhecidas como os blocos de construção básicos do DNA [47, 55]. É muito comum construir dispositivos semicondutores inorgânicos convencionais no campo da nanotecnologia. No entanto, é difícil construir dispositivos eletrônicos orgânicos principalmente usando biomoléculas. Esses semicondutores são caracterizados dependendo das propriedades de dopagem. Se o semicondutor não possui nenhuma impureza dopada, é denominado semicondutor intrínseco ou puro. Por outro lado, se o semicondutor é dopado com átomos ou moléculas estranhas, ele é conhecido como um semicondutor extrínseco ou impuro [55,56,57,58,59,60].

Hoje em dia, o projeto de dispositivos em nanoescala é um aspecto desafiador para os pesquisadores. Diodo, transistor e portas lógicas já foram implementadas no nível molecular. Há outro escopo para os pesquisadores implementarem dispositivos nanobiossemondutores em nível molecular. Alguns desses dispositivos biomoleculares já foram introduzidos na área da biomedicina. O projeto teórico desses nanodispositivos foi implementado usando o Atomistix-Tool Kit e Virtual Nano Laboratory (ATK-VNL) com base no simulador de software Quantumwise versão 13.8.0 [69,70,71,72,73,74,75,76] . Mesmo a lógica Quantum Cellular Automata (QCA) pode ser teoricamente implementada usando DFT e abordagem de primeiro princípio baseada em NEGF [77]. Várias portas lógicas podem ser projetadas usando biomoléculas, e os resultados obtidos a partir dessas implicações teóricas também foram validados usando Multi-Sim ou SPICE ou outros simuladores [70]. O processo de dopagem elétrica é a principal característica introduzida para obter a corrente ideal. A corrente do túnel através do canal molecular é afetada por vários fatores como efeito de retroespalhamento, etc. Implementando este processo de dopagem, podemos evitar os problemas relacionados ao processo de dopagem convencional. O modelo de combinação dipolo para sintonia de barreira Schottky também é sugerido na interface metal-semicondutor em nível molecular [78]. A abordagem do primeiro princípio também é aplicável para junção de túnel magnético, e suas propriedades eletrônicas quânticas foram analisadas [79]. Para calcular a corrente de fuga através de SiO ₂ e SiO _x N _y baseado em MOSFET, os pesquisadores usaram a abordagem de primeiro princípio baseada em DFT e NEGF [80]. Esta modelagem ab initio é aplicada para modelagem do ajuste da altura da barreira Schottky usando a interface de escala atômica de siliceto de ítrio e níquel [81]. O tunelamento direto de banda para banda em nanofibra de junção p – n de polarização reversa MOS2 pode ser descrito usando DFT e NEGF [82]. O efeito da incorporação de átomos dopantes de polaridades opostas no nanofio exibe propriedades elétricas como o diodo Zener [83]. O efeito de filtragem de dupla rotação pode ser visto no nitrito de ítrio semi-metálico YN ₂ [84]. A investigação da heteroestrutura biomolecular FET pode ser observada usando esta técnica de dopagem elétrica. O transporte balístico quântico pode ser observado usando este fenômeno de dopagem elétrica em nível molecular [85]. Usando esta abordagem teórica, a chave biomolecular eletricamente dopada é projetada ao usar nanotubos de carbono de parede única (SWCNT) como eletrodos [86]. Os formalismos do NEGF ajudam a projetar um diodo de túnel ressonante anti-ponto à base de grafeno [87]. As características atomísticas das junções p-n de silício bidimensional foram demonstradas usando a abordagem do primeiro princípio [88]. Diodo e transistores são os blocos básicos de qualquer circuito eletrônico. As portas lógicas também podem ser implementadas usando diodos e transistores. Portanto, qualquer lógica pode ser implementada usando formalismos de primeiro princípio.

Na tendência recente da nanotecnologia, os pesquisadores têm se interessado em projetar e caracterizar as várias características eletromecânicas de dispositivos bioinspirados e semicondutores em escala atômica. Esses dispositivos bioinspirados são altamente biocompatíveis e criam uma ponte entre a área de semicondutores e a área de pesquisa bi-molecular. A tecnologia CMOS já está saturada. Portanto, o objetivo dos pesquisadores é substituir e criar uma ponte entre eles. Diversas propostas já foram levantadas pelos pesquisadores para unir a tecnologia CMOS com tecnologia bioinspirada como o DNA ou quaisquer outras biomoléculas. As partes importantes do DNA são as bases de nitrogênio de adenina, timina, citosina e guanina. Essas bases de nitrogênio formaram compostos com açúcar ribose e grupos fosfato para formar o oligonucleotídeo. Este oligonucleotídeo tem grupos fosfato como estrutura principal. Correlações para sinais dinâmicos foram aprimoradas para a identificação de biomoléculas e DNA [89]. A translocação de DNA, transmissão eletrônica e modelagem semi-empírica através de nanoporos de grafeno também podem ser possíveis teoricamente usando DFT e NEGF [90,91,92,93]. A análise de DNA também pode ser possível com eletrodos de grafeno usando modelagem semi-empírica [94]. O reconhecimento de pares de bases de ácido nucléico usando propriedades de transporte transversal também foi possível [95]. A condutância através do DNA baleado também foi proposta pelo grupo de pesquisadores [96]. O aprimoramento eletrônico por procedimento de dopagem para os pares de bases do DNA também foi incorporado para aumentar a condutividade [97]. A promoção eletrônica também foi possível pelo processo de transferência de prótons duplos [98]. O reconhecimento de nucleotídeos pelo método de túnel cruzado também foi possível usando a abordagem do primeiro princípio [99]. Fatores estruturais controlam a condutividade do DNA, e isso também foi discutido em [100]. Os dispositivos em nanoescala exibem um enorme fenômeno de transporte quântico para diferentes tipos de modelagem de dispositivos em nanoescala [56, 58, 59, 101,102,103,104,105,106,107]. Esses dispositivos incluem FETs, diodos e interruptores ópticos [60, 68, 108,109,110,111,112,113,114,115,116]. Este trabalho proposto é uma abordagem para fazer uma ponte entre as biomoléculas com tecnologia de semicondutores III-V. A heteroestrutura de biomoléculas e materiais nanocristalinos III-V também pode ser projetada usando a abordagem teórica de primeiro princípio. Além disso, as propriedades elétricas e ópticas do grafeno co-dopado com nitrogênio e ouro são investigadas usando formalismos de primeiro princípio. O formalismo de primeiro princípio é usado para descobrir a mudança das características da mecânica quântica e investigação de várias propriedades eletrônicas ou ópticas das moléculas orgânicas e inorgânicas. A investigação também pode ser feita para grafeno com defeito de vacância e grafeno dopado com Mn em direção ao H ₂ Absorção de S. A investigação de ferromagnetismo usando a abordagem de primeiro princípio para monocamada de AlN dopada com metal de transição também é uma tendência emergente. O efeito de dopagem é investigado para MoS monocamada ₂ usar DFT para luz visível é um importante tópico de discussão. Um estudo de mudança de propriedades eletrônicas foi demonstrado para o fosforeno dopado com Eu com base na abordagem do primeiro princípio. 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 / cm ³
Effective doping = $\frac{x}{{abc \times 10^{ - 21} }}$ = abc × 10²¹ / cm ³ [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 O ₃ 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.

Conclusão

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.

Disponibilidade de dados e materiais

All the data and material are available in the manuscript.

Abreviações

DFT:: Teoria da densidade funcional
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:: Nanotubo de carbono
I–V:: Current–voltage
QCA:: Quantum cellular automata
YN₂ :: Yttrium nitrite
ATK-SE:: Atomistix Tool Kit-Semi-empirical

Transistor de efeito de campo de capacitância negativa ZrOx com comportamento de oscilação de sublimiar Sub-60 Fotoluminescência e Acoplamento Elétron-Fonon Estimulante em Nanofios CdS com Concentração de Dopante Sn (IV) Variável

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