Levantamento de Princípios Fundamentais de Dispositivos Nanoescala Dopados Eletricamente

Resumo

Dopagem é característica chave na fabricação de dispositivos semicondutores. Muitas estratégias foram descobertas para controlar dopagem na física de semicondutores nas últimas décadas. Dopagem elétrica é estratégia promissora para ajuste efetivo de populações de carga, propriedades eletrônicas e de transmissão. Este processo reduz risco de alta temperatura e contaminação por partículas estranhas. Esforços experimentais e teóricos significativos estudaram características de dopagem elétrica nas últimas décadas. Neste artigo, revisamos brevemente o roteiro histórico da dopagem elétrica. Em seguida, discutimos dopagem elétrica no nível molecular, revisando trabalhos experimentais e variedade de pesquisas baseadas em dopagem elétrica. Destacamos a importância da dopagem elétrica e descrevemos seus métodos. Concluímos com estudo comparativo breve entre dopagem elétrica e convencional.

Introdução

Dopagem desempenha papel crucial na determinação de características físicas e aplicações de materiais orgânicos ou inorgânicos, especialmente semicondutores. Este método foi comprovado com sucesso na indústria de física de semicondutores. Pequena adição de impurezas determina concentração de dopante e condutividades elétricas. Observa-se que dopante ideal deve exibir solubilidade ideal no material hospedeiro e baixo nível de defeito. Porém, problemas básicos relacionam-se à dopagem convencional, como gargalo de dopagem que afeta poderosamente desempenho do dispositivo. Degradação de desempenho observada severamente para materiais de largo gap.

Exemplo: em dispositivos com mínimo de banda de condução alta, dopagem tipo-n é desafiadora; para máximo de banda de valência baixa, também é complicado. Problemas surgem para dopagem bipolar em semicondutores de larga banda: apenas tipo-p ou tipo-n pode ser inserido, não ambos. Para compensar, solução viável incorporada ao domínio de dopagem: dopagem elétrica, que não depende de dopagem bipolar. Nos anos 1980/90, pesquisadores observaram que compostos III-V como cristal único de GaN são difíceis de crescer; substratos GaN comerciais indisponíveis no final dos anos 90. Razão: diferença entre constantes de rede e coeficientes de expansão térmica do substrato safira e semicondutor GaN dificultava crescimento de camada epitaxial GaN de alta qualidade. Além disso, quase impossível obter GaN tipo-p devido a alta concentração de fundo tipo-n e baixa atividade de dopagem tipo-p. Este problema foi significativamente superado usando fenômeno de dopagem elétrica por Rudaz em 1998. No final dos anos 80, cientistas descobriram importância de crescer camadas buffer GaN ou AlN para demonstrar LEDs baseados em GaN a baixas temperaturas. Recozimento térmico pós-crescimento ajuda ativar crescimento de dopantes tipo-p em camadas buffer GaN. Esses avanços aceleraram desenvolvimento de dispositivos de sistema de material semicondutor III-V nitreto para dispositivos optoeletrônicos de larga banda. Substrato GaN e recozimento térmico pós-crescimento também desempenham papel importante.

Nas últimas décadas, tecnologia de gravação a plasma desempenha papel importante em tecnologia de ultra larga escala (ULSI) para reduzir tamanho de padrão, levando à evolução da nanotecnologia. Simultaneamente, tecnologia de plasma enfrentou problemas inerentes: acúmulo de carga, radiação UV de fótons, desempenho de gravação para nanodispositivos. Para remover esses problemas e fabricar nanodispositivos práticos, processo de gravação por feixe neutro entrou em campo. S. Samukawa introduziu fontes de feixe neutro e falou sobre combinação de processamento top-down e bottom-up para nanodispositivos prospectivos. Tecnologia de feixes neutros executa gravação livre de danos por ser atômica. Modificação de superfície de materiais inorgânicos e orgânicos também possível. Técnica capaz para tecnologia de fabricação prática para futuros nanodispositivos. Tecnologia de plasma de alta densidade inclui plasma acoplado indutivamente (ICP) e plasma de ressonância ciclotrônica de elétrons (ECR), métodos-chave para implementação. Mas vários problemas associados: radiações danificam acúmulo de carga de íons positivos e elétrons; radiação UV, VUV pode danificar nanodispositivos; fótons raio-X podem causar ruptura; acúmulo de carga por geração de tensão distorce trajetórias iônicas, fratura filmes finos de óxido de gate; fótons UV/VUV de plasma de alta densidade geram defeitos cristalinos. Esses problemas degradam fortemente propriedades elétricas de nanodispositivos. Podem ser evitados usando sistema de gravação por feixe neutro de alto desempenho. S. Samukawa e grupo inventaram fonte de feixe neutro altamente eficiente para realizar gravação top-down definitiva para futuros nanodispositivos, introduzindo processos definitivos de 50 nm a sub-10 nm.

Esta carta organiza-se: revisão histórica da dopagem elétrica; revisão de trabalhos experimentais no nível molecular; discussão de variedade de pesquisas associadas; importância da dopagem elétrica; método do processo; conclusão com estudo comparativo entre dopagem convencional e elétrica.

Roteiro Histórico da Dopagem Elétrica

Embora este estudo concentre-se em dopagem elétrica no nível molecular, importante revisar história inicial da dopagem convencional. Em 1930, notou-se que condutividade de semicondutores afetada por pequeno número de impurezas. Em 1931, primeiro formalismo quântico-mecânico para materiais semicondutores. Protótipo de junção p-n demonstrado por Davydov em 1938, explicando importância de portadores minoritários. Woodyard introduziu conceito "dopagem", incorporando pequena porção de fósforo, arsênio ou antimônio em germânio puro, aumentando propriedades elétricas. Shockley propôs invenção histórica "transistor de junção" em 1949, mudando geometria da indústria. Invenção de junção bipolar fez tsunami na evolução da indústria, mas tinha problemas: duas camadas p-n devem ser juntadas costas com costas em espaço fino. Problema removido após invenção de "transistor de junção crescida" no Bell Labs em 1950 usando método de dopagem dupla. No processo "dopagem dupla", pitada de gálio adicionada a germânio tipo-n fundido, transformando em tipo-p; depois pitada de antimônio incluída, transformando de volta a tipo-n. Dois tipos de dopantes adicionados costas com costas. Outro tipo de dopagem evoluiu no início dos anos 50: "co-dopagem". Junções p e n consideradas "co-dopagem" de semicondutor.

Dopagem no nível molecular também parte importante da dopagem elétrica. Em 1998, Rudaz propôs método para maximizar efeito de dopagem elétrica reduzindo trinca de material para semicondutores III-V. Em 2002, Zhou et al. demonstraram diodo orgânico emissor de luz transparente depositado a vácuo, dispositivo de baixa tensão, usando dopagem elétrica. Dopagem elétrica crucial para melhorar desempenho de dispositivos orgânicos. Injeção de portadores dopados eletricamente ocorre para LEDs orgânicos (OLEDs). Camadas de transporte mostram baixas tensões de acionamento, geralmente devido a ânions/cátions radicais e contatos ôhmicos nas interfaces de eletrodos. OLEDs de ultra-baixa tensão depositados a vácuo com 2,6 V para 100 cd/m² em estrutura p-i-n. Emissão intrínseca entre camadas de transporte de larga banda tipo-p e tipo-n. Atividades relacionadas a dopagem elétrica em filmes moleculares orgânicos enfatizadas em vários estudos.

Este procedimento evita processo de bombardeio iônico no projeto de dispositivos em escala atômica. Gao e Kahn demonstraram este processo em filmes moleculares finos. Compostos como polímero policarbonato com tris(4-bromofenil)amônio hexacloroantimonato (TBAHA) 4,4′,4″-tris(3-metilfenilfenilamino)-trifenilamina (m-MTDATA) camada de transporte de buracos tipo-p dopada com F4-TCNQ usados para fabricar várias camadas de dispositivos OLEDs. Processo também usado em célula fotovoltaica orgânica (OPVC). Usado para sintonização no nível molecular e melhoria de eficiência por injeção de portadores. Condutividade de filme molecular aumenta amplamente para dopagem tipo-n e tipo-p. Processo extensivamente usado para contatos ôhmicos em semicondutores inorgânicos. Atualmente, LEDs orgânicos têm destaque em nanotecnologia molecular. Em semicondutor III-V, usando dopagem elétrica, contatos tipo-n e inserção de moléculas externas tipo-n tornam-se possíveis. Dopagem elétrica também ajuda fenômenos como resistência elétrica, inserção de portadores, recombinação de portadores na camada de interface molecular. OPVC uma das aplicações mais relevantes. No processo de alinhamento de nível para OPVC, processo atua na condutividade das células. Inserção de portadores de carga eventualmente aumentada. No caso de interfaces meta-orgânicas, método inicia e traz arranjo de camada de depleção através da qual tunelamento quântico pode ocorrer. Processo eficiente para fabricação de contatos orgânicos e inorgânicos. Também ajuda deslocar níveis de neutralidade de carga para filmes moleculares finos. Além disso, aproximadamente 0,1 a 1% de moléculas estrangeiras podem ser incluídas nas interfaces moleculares. Esta concentração de dopagem é grande para dopagem convencional. Este alto nível ajuda gerar semicondutores degenerados, prevenindo formação subsequente de bandas induzidas por dopagem.

Processo de Dopagem Elétrica e Sua Importância

Principal técnica do método de dopagem elétrica é controlar nível de Fermi usando este processo. Altamente popular entre semicondutores inorgânicos e orgânicos nas últimas décadas. Dopagem elétrica atraiu atenção especial em nanotecnologia bioinspirada nos últimos anos. Dopagem elétrica é processo de inserção de carga eletrônica ou aceitação delas em filmes moleculares. Característica-chave: dopagem convencional tipo-n e tipo-p não pode ser restringida para realizar bipolaridade. Processo de ionização convencional não aplicado a este tipo de dopagem elétrica. Procedimento introduzido para evitar bombardeio iônico, geralmente impossível para modelagem de nanodispositivos.

Método determinado em duas etapas: (1) transferência de elétron único de doador para aceitador (nas moléculas); (2) dissociação de complexo de transferência de carga de estado fundamental inteiro. Confirmado que dopagem elétrica é deslocamento do nível de Fermi para nível molecular mais ocupado (banda de valência) ou menor desocupado (banda de condução). Se portador livre é ρ, N_A⁻ densidade de dopante ionizado, N_A concentração de dopante neutro, densidade de portador livre formulada na Eq. (1). E_A e E_F energias do aceitador e nível de Fermi, K_B constante de Boltzmann na temperatura absoluta T.

Técnica realizada usando design de duas pontas no Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). Dispositivos atomísticos bioinspirados estão no coração da nanotecnologia. Operam em frequência ultra-alta THz. Frequência calculada ~ THz. Exemplo: características de transporte para junção de túnel semicondutor GaAs-Adenina-GaAs, frequência operacional ~ 25 THz.

Dopagem é indução intencional de impurezas externas em semicondutor puro para desempenho elétrico aprimorado. Importância da dopagem elétrica:

Procedimento difere da dopagem convencional. Na convencional, material semicondutor dopado com dopantes extrínsecos/impurezas. Processo de alta temperatura. Chance de quebra de ligações durante dopagem em alta temperatura. Método de ionização também adotado. Por outro lado, dopagem elétrica não relacionada a impurezas. Neste procedimento, cargas de potencial oposto induzidas nas duas extremidades do dispositivo, gerando queda de potencial na região molecular central do nanodispositivo. Método útil para projeto de nanodispositivos porque ionização pode gerar deformação estrutural em nanomateriais. Na dopagem convencional, vários problemas podem surgir, listados na Tabela 1. Diferenciação entre convencional e elétrica enquadrada na Tabela 1, ajudando entender importância da dopagem elétrica para fabricação de nanodispositivos em nanoescala.

Tabela 1 mostra por que dopagem elétrica importante no nível molecular: evita geração de calor, reações interatômicas/intermoleculares, compatível com qualquer projeto de nanodispositivo em nanoescala.

Neste artigo, processo de dopagem elétrica destacado. Útil para fabricação de nanodispositivos, principalmente preparação de filmes moleculares finos. Inserção de portadores de carga nas duas extremidades do dispositivo molecular. Processo também representado na Fig. 1. Diagrama representa método simples de dopagem elétrica. Mostra como queda de potencial criada devido à inserção de dois portadores de carga iguais mas opostos nos dois terminais de eletrodos. Eletrodos parte importante do dispositivo molecular. Inserção de carga feita através destes eletrodos. Carga igual e oposta cria queda de potencial na região molecular central. Esta queda atua como força motriz da condução de carga entre dois eletrodos, através da parte molecular central. Este é o processo real de dopagem elétrica. Embora usado hoje em modelagem analítica/teórica de nanodispositivos, também útil para preparação de filmes moleculares finos orgânicos e inorgânicos.

Figura 1 mostra como elétron ou portador de carga flui de um eletrodo a outro devido à queda de potencial imposta pela variação de bias nos dois terminais dos eletrodos.

Dopagem Elétrica no Nível Molecular

Recentemente pesquisadores interessados em procedimento de dopagem controlada. Dopagem elétrica ajuda introduzir dopagem controlada para semicondutores inorgânicos. Também útil para sintonizar propriedades elétricas desses semicondutores introduzindo dopagem elétrica. Fenômeno ajuda sintonizar gap óptico de semicondutores com variação química. Procedimento também de baixo custo e útil para substratos flexíveis.

Procedimento de dopagem elétrica é método pelo qual diferença de potencial criada entre duas extremidades do nanodispositivo. Neste trabalho teórico, arranjado fornecendo tensão de polaridade diferente mas mesmo valor nas duas extremidades via eletrodos de duas pontas. Diagrama esquemático na Fig. 2.

Abordagem teórica cria regiões altamente dopadas positivo (p+) e negativo (n+), importantes para projetar nanodispositivos semicondutores para materiais orgânicos e inorgânicos.

Usando este procedimento, portadores de carga injetados nas interfaces moleculares. Dopagem elétrica é processo controlado para moléculas orgânicas, não para filmes finos inorgânicos. Dopantes convencionais tipo-p e tipo-n não mandatórios. Eventualmente, dopagem elétrica aumenta injeção de portadores e diminui tensão de acionamento, levando a aumento de eficácia do dispositivo. Método depende exclusivamente de injeção de transmissão eletrônica ou recepção de elétrons à molécula hospedeira.

Cadeia heterojunção feita com biomoléculas adenina e timina usada para detectar vários gases quando cadeia passa por nanoporo de nanofolha GaAs. Dopagem elétrica induzida nas duas partes desta nanofolha. Devido à indutância efetiva, cadeia biomolecular mostra capacidade de detectar moléculas de gás estranhas adsorvidas. No projeto de nanodispositivo também lida com adsorção de moléculas. Exemplo: adsorção de moléculas voláteis a 32 °C em nanofio ZnO investigada. Usando DFT e formalismos NEGF baseados em princípios primeiros, nano-FET pode ser projetado com várias modificações estruturais. Várias propriedades observadas: avaliação de escalabilidade, gaps HOMO-LUMO, corrente máxima obtida, desempenho RF, investigação de linearidade. Diodo molecular baseado em co-oligômeros conjugados pode ser projetado usando formalismos DFT e NEGF. Co-oligômeros conectados com dois eletrodos formam diodo molecular. Gap de energia, características corrente-tensão (I-V), orientações espaciais analisadas. Abordagem de princípios primeiros aplicada a nanoestruturas geometricamente otimizadas de sete junções derivadas de nanotubo de carbono (CNT) usando diferentes ligantes. Vários tipos de diodos implementáveis usando abordagem de princípios primeiros baseada em fórmulas DFT e NEGF: diodo Schottky, diodo molecular único, diodo de corrente de spin, diodo bipolar de spin, diodo molecular di-bloco, características de diodo backward.

Trabalhos de Pesquisa no Nível Molecular Baseados em Dopagem Elétrica

Dopagem elétrica no nível molecular papel importante em nanoeletrônica. Pesquisadores altamente interessados em introduzir este procedimento no projeto de nanodispositivos. Efeito ajuda interface entre diferentes níveis moleculares de alinhamento. Processo não só útil para estudar heterojunção molecular orgânica mas também aceitável para materiais inorgânicos. Ajuda formação de interface com ajuda de dipolo e movimento equivalente em posição comparativa de interface molecular. Processo aceitável para alinhamento de interface molecular.

Miniaturização de dispositivos eletrônicos convencionais área de pesquisa emergente. Várias abordagens motivam pesquisadores a investigar natureza de nanodispositivos. Uma das mais importantes: projetar e simular nanoestruturas analíticas. Muitos dispositivos significativos podem ser projetados usando simulação e analisar resultados. Entre métodos de simulação, abordagem de princípios primeiros a mais efetiva e popular. Modernização de dispositivos eletrônicos encoraja pesquisadores a inovar dispositivos convencionais em versão modificada. Exemplo: dispositivos semicondutores tradicionais projetados usando biomoléculas. No caso de biomoléculas, geralmente nucleobases como adenina, timina, guanina e citosina consideradas, blocos construtivos básicos do DNA. Comum construir dispositivos semicondutores inorgânicos convencionais em nanotecnologia. Porém, difícil construir dispositivos eletrônicos orgânicos usando biomoléculas. Semicondutores caracterizados por propriedades de dopagem. Se semicondutor não tem dopagem de impureza, chamado intrínseco ou puro. Se dopado com átomos/moléculas estrangeiras, chamado extrínseco ou impuro.

Atualmente, projeto de nanodispositivos desafiador. Diodo, transistor, portas lógicas já implementados no nível molecular. Outro escopo: implementar nanodispositivos biossemicondutores no nível molecular. Alguns já introduzidos na biomedicina. Projeto teórico implementado usando simulador Quantumwise baseado em ATK-VNL versão 13.8.0. Lógica QCA (Quantum Cellular Automata) pode ser implementada teoricamente usando abordagem de princípios primeiros baseada em DFT e NEGF. Várias portas lógicas possíveis usando biomoléculas, resultados validados usando Multi-Sim, SPICE ou outros simuladores. Processo de dopagem elétrica é característica-chave para obter corrente ótima. Corrente de túnel através do canal molecular afetada por vários fatores como efeito de retroespalhamento. Implementando dopagem, evitamos problemas da dopagem convencional. Modelo de combinação de dipolo para sintonia de barreira Schottky sugerido na interface metal-semicondutor no nível molecular. Abordagem de princípios primeiros também aplicável para junção de túnel magnético, propriedades eletrônicas quânticas analisadas. Para calcular corrente de vazamento através de MOSFET SiO₂ e SiO_xN_y, pesquisadores usaram abordagem de princípios primeiros baseada em DFT e NEGF. Modelagem ab-initio aplicada para modelagem de sintonia de altura de barreira Schottky usando interface atômica silicieto de ítrio e níquel. Tunelamento banda-a-banda direto em junção p-n reversa de nanofita MOS2 descrito usando DFT e NEGF. Efeito de incorporação de átomos dopantes de polaridades opostas no nanofio exibe propriedades como diodo Zener. Efeito de filtragem dual-spin visto em nitrito de ítrio semi-metálico YN₂. Investigação de FET biomolecular heteroestrutura observada usando técnica de dopagem elétrica. Transporte quântico balístico observado usando fenômeno de dopagem elétrica no nível molecular. Interruptor biomolecular dopado eletricamente projetado usando nanotubo de carbono de parede única (SWCNT) como eletrodos. Formalismos NEGF ajudam projetar diodo de túnel ressonante anti-ponto baseado em grafeno. Características atomísticas de junções p-n de silício bidimensional demonstradas usando abordagem de princípios primeiros. Diodos e transistores blocos construtivos básicos de qualquer circuitaria eletrônica. Portas lógicas também implementáveis usando diodos e transistores. Qualquer lógica implementável usando formalismos de princípios primeiros.

Na tendência recente de nanotecnologia, pesquisadores interessados em projetar e caracterizar várias características eletromecânicas de dispositivos bioinspirados e semicondutores em escala atômica. Dispositivos bioinspirados altamente biocompatíveis, criam ponte entre área semicondutora e arena de pesquisa biomolecular. Tecnologia CMOS já saturada. Objetivo: substituir e criar ponte entre elas. Várias propostas levantadas para unir tecnologia CMOS com tecnologia bioinspirada como DNA ou outras biomoléculas. Partes importantes do DNA: adenina, timina, citosina e guanina bases nitrogenadas. Estas bases fazem compostos com açúcar ribose e grupos fosfato para formar oligonucleotídeo. Oligonucleotídeo tem grupos fosfato como espinha dorsal. Correlações para sinais dinâmicos aprimoradas para identificação de biomoléculas e DNA. Translocação DNA, transmissão eletrônica e modelagem semiempírica através de nanoporo de grafeno possível teoricamente usando DFT e NEGF. Análise DNA também possível com eletrodos de grafeno usando modelagem semiempírica. Reconhecimento de pares de bases de ácido nucleico por propriedades de transporte transversal também possível. Condutância através de DNA curto proposta por grupo de pesquisadores. Aperfeiçoamento eletrônico por dopagem em pares de bases DNA incorporado para aumentar condutividade. Promoção eletrônica também possível por processo de transferência de próton duplo. Reconhecimento de nucleotídeos por método cross-tunneling possível usando abordagem de princípios primeiros. Fatores estruturais controlam condutividade DNA, discutido em [100]. Nanodispositivos exibem enorme fenômeno de transporte quântico para vários tipos de modelagem de nanodispositivos. Incluem FETs, diodos e chaves ópticas. Trabalho proposto uma abordagem para fazer ponte entre biomoléculas com tecnologia semicondutora III-V. Heteroestrutura de biomoléculas e nanomateriais cristalinos III-V também projetável usando abordagem teórica de princípios primeiros. Propriedades elétricas e ópticas de grafeno co-dopado com nitrogênio e ouro investigadas usando formalismos de princípios primeiros. Formalismo de princípios primeiros usado para encontrar mudança de características quântico-mecânicas e investigar várias propriedades eletrônicas ou ópticas de moléculas orgânicas e inorgânicas. Investigação também para grafeno com defeito de vacância e grafeno dopado com Mn para absorção H₂S. Investigação de ferromagnetismo usando abordagem de princípios primeiros para monocamada AlN dopada com metal de transição também tendência emergente. Efeito de dopagem investigado para monocamada MoS₂ usando DFT para luz visível tópico importante. Estudo de mudança de propriedades eletrônicas demonstrado para fosforeno dopado com Eu baseado em abordagem de princípios primeiros. Características de transporte quântico eletromecânico disponíveis para estes dispositivos.

Em 1987, Destefanis propôs dopagem elétrica de HgCdTe usando implantação iônica e tratamento térmico. Para aumentar grande número de pixels em dispositivos de array de plano focal, detectores fotovoltaicos infravermelhos necessários. Uso de implantação iônica HgCdTe aumentava interesse de fabricantes. Neste tipo de fabricação de detectores fotovoltaicos infravermelhos, processo de dopagem elétrica introduzido. Revelou-se que efeito de dopagem elétrica em HgCdTe apareceu significativamente pois propriedades intrínsecas de diodos diretamente relacionadas a ele. Dopagem elétrica também proposta para aperfeiçoamento de absorção plasmônica em nanocristais core-shell Au-PbS. Método implementado usando método de transferência de carga intra-partícula. Nanocristais coloidais usados como blocos construtivos para células solares, fotodetectores, etc. Nesta abordagem, pesquisadores investigaram propriedades eletrônicas de materiais nanocristalinos coloidais e propuseram nova abordagem de dopagem elétrica a estes sólidos nanocristalinos usando transferência de carga intra-partícula. Fluxo de processo para este trabalho de simulação mostrado na Fig. 3.

Métodos de Simulação de Dopagem Elétrica

Design analítico destes dispositivos moleculares requer inovação constante e melhoria em ciência de materiais. Teoria do funcional da densidade (DFT) e função de Green não-equilíbrio (NEGF) são dois formalismos-chave por trás da analítica para modelagem destes nanodispositivos. Abordagem de princípios primeiros combina estes dois formalismos para descrever teoricamente estes nanodispositivos. Teoria estendida de Hückel (EHT) outro fator-chave para acelerar procedimento de design destes dispositivos atomísticos. Estes procedimentos de modelagem teórica ajudam prevenir vários problemas sobre design nanoescala como perigos durante dopagem de partículas estrangeiras, geração de frequência operacional THz, etc. Outro objetivo: operar dispositivo mantendo temperatura eletrônica a 300 K, temperatura ambiente. Semicondutores III-V são materiais semicondutores opticamente sólidos para design de vários dispositivos eletrônicos. Após tecnologia silício, tecnologia semicondutora III-V uma das áreas emergentes e mais desejáveis para nanocotecnologia semicondutora. Biomoléculas (adenina, timina, guanina, citosina) introduzidas para formar diferentes nanodispositivos eletrônicos. Também exibem exposição óptica quando simuladas em região near-UV (mid-UV-B). Neste trabalho proposto, caracterização eletrônica feita para nanodispositivos simulados usando abordagem de princípios primeiros. Modelagem semiempírica realizada usando EHT para simulação mais rápida. Visamos projetar e caracterizar materiais III-V junto com biomoléculas usando formalismos de princípios primeiros baseados em DFT e NEGF. Design semiempírico destes nanodispositivos bioinspirados realizado usando pacote de simulação Quantumwise.

Para incluir dopagem elétrica nos dispositivos moleculares, carga igual mas oposta fornecida às duas extremidades da interface molecular. Concentração de dopagem elétrica calculada pelo procedimento:

Assumindo eletrodos ~ 1 nm longo e área transversal 0,5 nm × 0,5 nm. Para simplificação, valores tomados. No editor de script, seção para calculador de eletrodos localizada e carga = +0,01 e −0,01 atribuída. Para este estudo teórico, pacote Atomistic Tool Kit-Virtual Nano-laboratory (ATK-VNL) usado. Software usa abordagem de princípios primeiros baseada em DFT e NEGF. Valor calculado pela fórmula:

• Concentração de dopagem efetiva = dopagem/volume
• Assumir carga de dopagem = ± x V
• Assumir volume = comprimento (a) × largura (b) × altura (c) = a × b × c
• Volume = (a × 10⁻⁷) × (b × 10⁻⁷) × (c × 10⁻⁷) cm⁻³ = abc × 10⁻²¹/cm³
• Dopagem efetiva = x/(abc × 10⁻²¹) = abc × 10²¹/cm³ [considerando dimensão em nm]

Volumes dos eletrodos permanecem constantes; da Fig. 4, concentração de dopagem diretamente proporcional à tensão de bias aplicada. Outra razão para manter tamanho dos eletrodos constante. Pequena mudança no tamanho leva a grande mudança na concentração de dopagem elétrica. Mudando pequena quantidade de tensão de bias, geramos dopagem elétrica muito alta no sistema usando abordagem de princípios primeiros.

Dopagem elétrica depende principalmente de dois parâmetros: (1) carga de dopagem efetiva (carga aplicada nas duas extremidades dos eletrodos) e (2) volume do nanodispositivo. Fórmula: dopagem/volume. Se comprimento, altura, largura ou qualquer parâmetro muda, concentração de dopagem muda. Para este tipo de estrutura, volume função de comprimento, altura, largura.

Temperatura e espessura afetam desempenho destes nanodispositivos. Autoaquecimento e ruído térmico gerado também mudam fenômeno de transporte quântico balístico nestes dispositivos em baixa dimensão. Temperatura papel importante no desempenho. Espessura relacionada ao volume do dispositivo e dopagem efetiva diretamente relacionada ao volume, espessura também afeta desempenho. Se espessura muda, volume muda, resultando em mudança de concentração de dopagem. Concentração de dopagem relacionada diretamente a desempenho como condutividade de canal, características corrente-tensão, etc. Portanto, dopagem muda devido a espessura mudada, definitivamente mudando desempenho do dispositivo.

Evolução da Dopagem Elétrica

Dopagem significa adição de átomos de impureza explícitos ao semicondutor. Adição intencional de átomos a semicondutor intrínseco para modular propriedades elétricas. Tamanhos dos eletrodos inseridos no editor de script, comprimento 1 nm e seção transversal 0,5 nm × 0,5 nm. Carga nominal ±0,01 definida para dois eletrodos. Script processado pelo gerenciador de jobs, valor de dopagem calculado obtido. Passos:

• Abrir Novo Calculador e selecionar "ATK-SE: Extended Hückel (Device)"
• Desmarcar "No SCF iteration"
• Manter corte de malha em 10 Hartree
• Sob "Poisson Solver" definir condições de contorno "Neumann" nas direções A(X) e B(Y)

Fig. 5 mostra forma consolidada de estudo comparativo entre dopagem elétrica e convencional (usando Fe e Ni). Experimento analítico observado para estrutura de nanotubo de timina, exemplo de dopagem elétrica. Átomos Fe e Ni escolhidos para dopar nanotubo de timina; por outro lado, molécula dopada eletricamente. Resultados mostram quantidade de dopagem elétrica muito maior comparada à convencional para pequena tensão aplicada. Trabalhos exemplos de dopagem elétrica com vantagens sobre convencional discutidos na Tabela 2. Estudo comparativo de dispositivos dopados eletricamente com modelagem existente seguindo dopagem convencional. Vários tipos de dopagem e dopantes: convencional (adição de impureza), elétrica, co-dopagem. Geralmente dois tipos de dopantes para convencional: tipo-p e tipo-n, chamados aceitador e doador. Impurezas externas adicionadas para melhorar propriedades elétricas, principalmente condutividade. No processo de dopagem elétrica, principalmente para modelagem analítica usando ATK-VNL, não prosseguimos com adição de átomos estrangeiros. Em vez disso, focamos na mudança de diferença de potencial nas duas extremidades do dispositivo (principalmente nas extremidades dos eletrodos). Dopagem de semicondutor junto com outra substância conhecida como co-dopagem. Exemplo: quando Co e N adicionados a nanofios MoO₂, aumentam desempenho eletrônico. Várias propriedades como eletrônicas, ópticas e morfológicas de filmes moleculares finos de polifurano (PF) tipo-p dopados investigadas por pesquisadores usando ampla gama de razões de dopagem usando método de dopagem elétrica. Quando concentração ≤ 2%, corrente de curto-circuito de dispositivo fotovoltaico baseado em PF aumentou significativamente.

Observando concentração de dopagem na Fig. 6, antes de 2000 concentração alta, depois torna-se menor. Embora desempenho do dispositivo aprimorado, concentração de dopagem reduzindo rapidamente.

Processo de dopagem óptica e elétrica também introduzido no silício com hólmio em 1999. Estado de hibridização intermolecular também governado por dopagem elétrica. Estabelecido que para semicondutores orgânicos, dopagem elétrica molecular estava em desacordo quando outros métodos provados, como formação de polarão. Objetivo principal: propor estado derivado de polarão com energia de ionização diminuída usando fotoelétronspectroscopia ultravioleta. Perfil de dopagem elétrica em capacitores de filme ferroelétrico investigado por grupo de pesquisadores usando medição capacitância-tensão. Neste estudo experimental, efeito de perfil de concentração de dopagem elétrica em ferroelétricos investigado usando: (1) permissividade dependente de campo e espacial; (2) análise de comutação de domínio de perfilagem Schottky.

Da Fig. 7, observamos temperatura de operação para este tipo de operação dependente de dopagem. Gráfico complexo, não obedece regra especificada. Concluímos que requisito de temperatura depende unicamente do tipo de materiais usados.

Novo modelo proposto para dissociação de átomos de carbono na interface molecular fina cobre/sílica usando meshes de grafeno hidrogenado cataliticamente usando método de dopagem elétrica semipermanente. Processo permite dopagem eletrônica estável através de ligações C-N. Efeito de estados de armadilha na dopagem elétrica para semicondutores orgânicos também investigado. Processo de transferência de carga direta do estado de armadilha das moléculas hospedeiras para moléculas dopantes elevou efeito elétrico para semicondutores orgânicos. Tipo de dopagem aumenta condutividade. Densidade e energia de armadilha analisadas usando espectroscopia de impedância.

Da Fig. 8, espessura das camadas de wafer reduz ano a ano. Mais tempo aumenta, espessura da camada reduz, desempenho do dispositivo aumenta.

Filmes de pol(9,9-dioctilfluorenil-2,7-dienil) (PFO) dopados e não dopados eletricamente junto com filmes de tetrafluorotetracianoquinodimetano compostos usando método de fotoelétronspectroscopia e investigadas características corrente-tensão. Região de depleção criada para interface PFO, corrente aumentou subsequentemente. Para sensores de gás alta temperatura, dopagem papel importante. Condutividade e sensibilidade a gás de filmes finos Ga₂O₃ investigadas. Concentração de dopagem influenciou sensibilidade de superfície.

Da Fig. 9, comprimento de onda de corte dos dispositivos reduz drasticamente em poucas décadas. Desempenho aprimorado significativamente. Tabela 3 dá visão de diferentes características de dispositivos seguindo dopagem elétrica ou convencional.

Nesta revisão, revisamos trabalhos já estabelecidos usando dopagem elétrica. Em nossos trabalhos, usamos processo de dopagem elétrica usando pacote de simulação Quantumwise na atmosfera ATK-VNL. Versão 13.8.0. Simulação baseada em formalismos de princípios primeiros fortemente suportados por DFT e NEGF. Quantumwise conjunto compacto de ferramentas de modelagem em escala atômica. Ferramentas desenvolvidas em 2003 por profissionais de software e acadêmicos. Motores de simulação ATK-VNL ajudam calcular estrutura eletrônica e formular intercorrelações de orbitais atômicos. Plataforma ajuda introduzir dopagem elétrica no nível molecular.

Conclusão

Este relatório ilustra brevemente comparação entre dopagem convencional e elétrica. Embora dopagem elétrica não seja processo tão novo, implementação com ajuda de abordagem de princípios primeiros baseada em DFT e NEGF dá nova reviravolta. Portanto, dopagem elétrica a ser implementada em muitas abordagens de modelagem molecular para trazer nova era em nanoeletrônica. Estudo examina fenômeno de dopagem elétrica: por que importante, como funciona para modelagem molecular, cálculo de concentração, etc. Fornecemos estudo comparativo entre dopagem elétrica e convencional para molécula acepromazina. Conclui-se que no futuro esta é uma das abordagens que se provará no campo de modelagem de nanodispositivos.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados e material estão disponíveis no manuscrito.

Abreviações

DFT:

Teoria do funcional da densidade

NEGF:

Função de Green não-equilíbrio

OPVC:

Célula fotovoltaica orgânica

ATK-VNL:

Atomistix Tool Kit-Virtual Nano-Laboratory

HOMO-LUMO:

Orbital molecular mais ocupado - menos desocupado

CNT:

Nanotubo de carbono

I-V:

Corrente-tensão

QCA:

Autômatos celulares quânticos

YN₂:

Nitrito de ítrio

ATK-SE:

Atomistix Tool Kit-Semi-empírico