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Dispositivos a nanoescala dopados eléctricamente que utilizan el enfoque del primer principio:una encuesta exhaustiva

Resumen

El dopaje es la característica clave en la fabricación de dispositivos semiconductores. Se han descubierto muchas estrategias para controlar el dopaje en el área de la física de semiconductores durante las últimas décadas. El dopaje eléctrico es una estrategia prometedora que se utiliza para ajustar eficazmente las poblaciones de carga, las propiedades electrónicas y las propiedades de transmisión. Este proceso de dopaje reduce el riesgo de contaminación de partículas extrañas a alta temperatura. Se demuestran importantes esfuerzos experimentales y teóricos para estudiar las características del dopaje eléctrico durante las últimas décadas. En este artículo, primero revisamos brevemente la hoja de ruta histórica del dopaje eléctrico. En segundo lugar, discutiremos el dopaje eléctrico a nivel molecular. Así, revisaremos algunos trabajos experimentales a nivel molecular junto con una variedad de trabajos de investigación que se realizan en base al dopaje eléctrico. Luego descubrimos la importancia del dopaje eléctrico y su importancia. Además, describimos los métodos de dopaje eléctrico. Finalmente, concluimos con un breve estudio comparativo entre los métodos de dopaje eléctrico y convencional.

Introducción

El dopaje juega un papel crucial en la determinación de las características físicas y sus aplicaciones de diversos materiales orgánicos o inorgánicos, especialmente para semiconductores. Este método ha sido probado con éxito para la industria de la física de semiconductores. Una pequeña cantidad de impurezas determina la concentración de dopante y las conductividades eléctricas de los materiales. Se observa que un dopante ideal debería exhibir una solubilidad ideal en su material huésped, y también exhibe un nivel bajo de defectos. Sin embargo, algunos problemas básicos están relacionados con este tipo de proceso de dopaje convencional, por ejemplo, el cuello de botella de dopaje que afecta poderosamente el rendimiento del dispositivo. Este tipo de degradación del rendimiento se ha observado gravemente para materiales con banda prohibida amplia.

Por ejemplo, en el caso de los mínimos del dispositivo de banda de alta conducción, el dopaje de tipo n es un desafío, mientras que para los máximos del dispositivo de banda de baja valencia también es complicado [1, 2]. Por tanto, surgen algunos problemas para el proceso de dopaje bipolar en semiconductores de banda ancha. Se observa que pueden insertarse dopantes de tipo p o de tipo n, pero no juntos [3]. Por tanto, para compensar este tipo de problemas, se ha incorporado una solución viable al dominio del dopaje. Este tipo de abordaje propuesto se conoce como dopaje eléctrico, que no depende de este tipo de dopaje bipolar. Se ha introducido el dopaje eléctrico para resolver los problemas del dopaje bipolar. A finales de los años 80 y 90, los investigadores observaron que los compuestos III-V, como un solo cristal de GaN, son difíciles de cultivar. Más aún, los sustratos de GaN para uso comercial tampoco estaban disponibles en la era de finales de la década de 1990 ”. La razón detrás de esto se explicó de tal manera que la diferencia entre las constantes de celosía y los coeficientes de expansión térmica del sustrato de zafiro y el semiconductor de GaN dificultaron el crecimiento de una capa epitaxial basada en GaN de alta calidad sobre el sustrato de zafiro. Por otro lado, era casi imposible obtener un semiconductor de GaN de tipo p debido a combinaciones de alta concentración de fondo de tipo n y baja actividad de dopaje de tipo p. Este problema puede superarse significativamente utilizando el fenómeno de dopaje eléctrico de Rudaz en el año de 1998. A finales de la década de 1980, los científicos descubrieron la importancia de cultivar capas tampón de GaN o AlN para demostrar LED basados ​​en GaN a bajas temperaturas. El proceso de recocido térmico posterior al crecimiento ayuda a activar el crecimiento de dopantes de tipo p en las capas tampón de GaN. Estos avances aceleraron el crecimiento en el desarrollo de dispositivos del sistema de material semiconductor de nitruro III-V para dispositivos optoelectrónicos de banda ancha [4]. El sustrato de GaN y el proceso de recocido térmico posterior al crecimiento también desempeñan un papel importante en esta técnica [5, 6, 7]. Desde las últimas décadas, la tecnología de grabado con plasma juega un papel importante en la tecnología de ultra gran escala (ULSI) para reducir el tamaño del patrón. Esto nos llevó a la evolución de la nanotecnología. Al mismo tiempo, la tecnología del plasma enfrentó algunos problemas inherentes, por ejemplo; acumulación de carga, radiación ultravioleta de fotones junto con rendimiento de grabado para dispositivos a nanoescala. Para eliminar estos problemas y fabricar dispositivos prácticos a nanoescala, ha entrado en el campo el proceso de grabado con haz neutro. S. Samukawa ha presentado estas fuentes de haz neutro y también habló sobre la combinación de procesamiento de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba para los posibles dispositivos a nanoescala. La tecnología de rayos neutros se ejecuta mediante grabado libre de daños porque se utiliza de forma atómica. Usando esta técnica también se puede realizar la modificación de la superficie de materiales orgánicos e inorgánicos. Esta técnica es un competidor capaz de la tecnología de fabricación práctica para futuros nanodispositivos [8]. Esta tecnología de plasma de alta densidad incluye plasma de acoplamiento inductivo (ICP) y plasma de resonancia ciclotrónica de electrones (ECR), que son los métodos clave para la implementación de esta técnica de plasma. Pero hay varios problemas asociados con esta técnica, como

  • Varios tipos de radiación pueden dañar la acumulación de carga de iones y electrones positivos [8,9,10,11,12].

  • La radiación de rayos ultravioleta (UV), ultravioleta de vacío (VUV) también puede dañar los dispositivos a nanoescala.

  • Los fotones de rayos X también pueden causar la ruptura de dispositivos a nanoescala durante este problema de grabado con plasma [13,14,15,16,17,18,19,20,21].

  • Debido a la acumulación de carga debido a la generación de voltaje que distorsionan las trayectorias de los iones, también conduce a la fractura de películas delgadas de óxido de puerta.

  • Además de estos, los fotones UV o VUV que irradian desde la técnica de grabado con plasma de alta densidad conducen a generar defectos en los cristales.

Estos problemas degradan fuertemente las propiedades eléctricas de los dispositivos a nanoescala. Por lo tanto, estos problemas pueden evitarse utilizando un sistema de grabado de haz neutro de alto rendimiento. S. Samukawa y su grupo han inventado una fuente de haz neutro altamente eficiente para realizar el grabado de arriba hacia abajo definitivo para futuros dispositivos a nanoescala. Introdujeron los últimos procesos de grabado para futuros dispositivos a nanoescala de 50 nm a menos de 10 nm en el uso de nuestras nuevas fuentes de haz neutro.

Por tanto, esta carta está organizada de la siguiente manera. En primer lugar, se revisa brevemente la hoja de ruta histórica del dopaje eléctrico. Después de eso, revisaremos algunos trabajos experimentales a nivel molecular, ya que este proceso de dopaje también tiene su impacto a nivel molecular. Luego, brindamos breves discusiones sobre una variedad de trabajos de investigación asociados con el proceso de dopaje eléctrico. Algunas de las importancia del dopaje eléctrico se describen en la siguiente sección. Además, describimos el método del proceso de dopaje eléctrico. Finalmente, concluiremos con la breve discusión del estudio comparativo entre el dopaje convencional y el dopaje eléctrico.

Hoja de ruta histórica del dopaje eléctrico

Aunque este estudio se concentra principalmente en el dopaje eléctrico a nivel molecular, es importante revisar primero la historia temprana del dopaje convencional. En el año de 1930, se notó que la conductividad de los semiconductores se ve afectada por la presencia de un pequeño número de impurezas [2, 22, 23]. En el año 1931, se utilizó el primer formalismo mecánico cuántico para materiales semiconductores [24]. El prototipo de una unión p – n fue demostrado con éxito por Davydov en el año de 1938 [25, 26]. Este artículo explica la importancia de los transportistas minoritarios. Woodyard introdujo el concepto de "dopaje". Incorporó una pequeña porción de fósforo, arsénico o antimonio al germanio puro. Esta adición de impureza aumenta las propiedades eléctricas del germanio [27]. Shockley propuso su invento histórico, es decir, "transistor de unión" en el año de 1949. Este invento cambia la geometría de la industria de los semiconductores [28]. Aunque la invención de la unión bipolar provocó un tsunami en la evolución de la industria de los semiconductores, también tuvo varios problemas relacionados con los transistores. Por ejemplo, dos capas p – n deben unirse una con otra dentro de un espacio delgado. Este problema se eliminó después de la invención del "transistor de unión crecido" en el laboratorio Bell en el año 1950 utilizando un método de doble dopaje [29, 30]. En el caso del proceso de “doble dopaje”, se añadió una pizca de galio al germanio de tipo n fundido, que transformó el germanio en tipo p. Posteriormente, se le añadió una pizca de antimonio que lo transforma en tipo p de nuevo en tipo n [31]. En este proceso se agregaron dos tipos de dopantes consecutivos. Hay otro tipo de dopaje que se desarrolló a principios de la década de 1950, que se conoce como "codopaje". Las uniones pyn se consideran "codopaje" de un semiconductor. El dopaje a nivel molecular también es una parte importante del dopaje eléctrico. En el año de 1998, Rudaz propuso un método para maximizar el efecto del dopaje eléctrico al reducir el agrietamiento del material para semiconductores III – V [4]. En el año de 2002, Zhou et al. demostró un diodo emisor de luz orgánico transparente depositado al vacío que también es un dispositivo de bajo voltaje mediante el uso del proceso de dopaje eléctrico. El dopaje eléctrico juega un papel crucial para mejorar el rendimiento de los dispositivos orgánicos. La inyección de portador dopado eléctricamente tiene lugar para LED orgánicos (OLED). Las capas de transporte muestran voltajes de excitación bajos, que generalmente se deben a los aniones radicales, cationes y contactos óhmicos en el extremo de las interfaces de los electrodos. Los OLED de voltaje ultrabajo se depositan al vacío con 2,6 V para 100 cd / m 2 en estructura p – i – n. Por lo tanto, una emisión intrínseca se intercala entre la capa de transporte de banda ancha ancha de tipo p y n. Las actividades relacionadas con el dopaje eléctrico en películas moleculares orgánicas se enfatizan en algunos estudios [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].

Este es uno de los procedimientos para evitar el proceso de bombardeo iónico en el enfoque de diseño de dispositivos a escala atómica. Gao y Kahn [43] han demostrado este proceso en películas delgadas moleculares. Estos compuestos, por ejemplo, polímero de policarbonato con hexacloroantimoniato de tris (4-bromofenil) aminio (TBAHA) 4,4 ', 4 "-tris (3-metilfenilfenilamino) -trifenilamina (m-MTDATA) capa de transporte de huecos p dopada con F4-TCNQ se utilizan para fabricar con éxito varias capas de dispositivos compuestos OLED [45, 46]. Este proceso también se ha utilizado en células fotovoltaicas orgánicas (OPVC). Este proceso también se ha utilizado para sintonizar a nivel molecular y también para mejorar la mejora de la eficiencia del dispositivo mediante la inyección de portadores. La conductividad de la película molecular aumenta en gran medida para el dopaje de tipo ny p mediante el uso de este proceso. Este proceso de dopaje se usa ampliamente para contactos óhmicos en semiconductores inorgánicos [43, 44, 45, 46]. Hoy en día, los LED orgánicos contienen imágenes efectivas en el campo de la nanotecnología molecular. En semiconductores III – V, utilizando este proceso de dopaje se pueden hacer posibles contactos de tipo n y la inserción de moléculas externas de tipo n. El dopaje eléctrico también ayuda a hacer posible fenómenos como la resistencia eléctrica, la inserción de portadores, la recombinación de portadores en la capa de interfaz molecular. La célula fotovoltaica orgánica (OPVC) es una de las aplicaciones más relevantes del fenómeno del dopaje eléctrico. En el proceso de alineación de nivel para OPVC, este proceso actúa sobre la conductividad de estas células. La inserción del portador de carga se incrementa eventualmente con este método. En el caso de las interfaces metaorgánicas, este método comienza y lleva a la disposición de una capa de agotamiento a través de la cual puede tener lugar la transmisión de túnel cuántico. Este es uno de los procesos eficientes que se puede utilizar eficazmente para la fabricación de contactos orgánicos e inorgánicos. Este proceso también ayuda a cambiar los niveles de neutralidad de carga para películas delgadas moleculares. Además de esto, se pueden incluir aproximadamente del 0,1 al 1% de moléculas extrañas usando este método en las interfaces moleculares. Esta cantidad de concentración de dopaje es un número elevado para el método de dopaje convencional. Este nivel de concentración de dopaje ayuda a generar semiconductores degenerados. Esta alta concentración de dopaje ayuda a prevenir la formación posterior de bandas inducidas por el hacer [34, 43, 44, 45, 46].

El proceso de dopaje eléctrico y su importancia

La técnica principal y más importante que se optó por el método de dopaje eléctrico es controlar el nivel de Fermi mediante este proceso. Por lo tanto, esta técnica es muy popular entre los semiconductores orgánicos e inorgánicos durante las últimas décadas. El dopaje eléctrico en los últimos años ha atraído una atención especial en el campo de la nanotecnología bioinspirada. El dopaje eléctrico es el proceso de inserción o aceptación de cargas electrónicas en películas moleculares. La característica clave de este proceso es que el dopaje nyp convencional no se puede restringir para lograr la bipolaridad. El proceso de ionización convencional no se aplica para este tipo de proceso de dopaje eléctrico [43, 44, 45, 46]. El procedimiento de dopaje eléctrico se introdujo para evitar el bombardeo iónico, que generalmente no es posible para el modelado de dispositivos a nanoescala.

Este método de dopaje se determinó principalmente en dos pasos:

  • El primer paso consiste en la transferencia de un solo electrón del donante a un aceptor (en moléculas).

  • En segundo lugar, está asociado con el método de disociación del complejo de transferencia de carga de enteros en estado fundamental.

Por lo tanto, se confirma que el dopaje eléctrico no es más que un desplazamiento del nivel de Fermi hacia el nivel molecular ocupado más alto (banda de valencia) o el estado molecular desocupado más bajo (banda de conducción). Si el transportista gratuito es ρ , N A - es la densidad del dopante ionizado, N A es la concentración de dopante neutro, entonces la densidad del portador libre debe formularse como en la Ec. (1). En esta ecuación, E A y E F son el aceptador y las energías de nivel de Fermi y K B es la constante de Boltzmann a 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 dopaje se ha llevado a cabo utilizando técnicas de diseño de dos sondas en Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). El número de dispositivos atomísticos bioinspirados se encuentra en el corazón de la nanotecnología. Estos dispositivos funcionan a una frecuencia de THz ultra alta. La frecuencia que se calcula para estos dispositivos es de aproximadamente THz. Por ejemplo, en un artículo, donde se ilustran las características de transporte de la unión túnel de semiconductores GaAs-Adenina-GaAs. En ese artículo, la frecuencia operativa se informa alrededor de 25 THz [125].

El dopaje es una inducción intencional de impurezas externas en un material semiconductor puro por motivos de rendimiento eléctrico mejorado. La importancia del proceso de dopaje eléctrico se puede describir de la siguiente manera.

Este procedimiento de dopaje eléctrico es diferente del proceso de dopaje convencional. En el caso del proceso de dopaje convencional, el material semiconductor se dopa con impurezas o dopantes extrínsecos. Este proceso es el proceso de alta temperatura. Existe la posibilidad de que se rompan las uniones que pueden ocurrir durante este proceso de dopaje a alta temperatura. El método de ionización también se adopta para implementar este método de dopaje. Por otro lado, el proceso de dopaje eléctrico no está relacionado en absoluto con impurezas. Como en este procedimiento, se inducen cargas potenciales opuestas en los dos extremos del dispositivo. Por lo tanto, generará una caída potencial en la región molecular central del nanodispositivo. Este método es bastante útil para el diseño de nanodispositivos porque el método de ionización puede generar deformaciones estructurales para los nanomateriales. En el caso del dopaje convencional, pueden surgir varios problemas. Algunos de los principales problemas se enumeran en la Tabla 1. La diferenciación entre el dopaje convencional y el eléctrico se enmarca en la Tabla 1, y también ayuda a comprender cómo el dopaje eléctrico es importante para la fabricación de dispositivos a nanoescala.

Esta Tabla 1 muestra por qué el dopaje eléctrico es importante a nivel molecular. Este dopaje evita la generación de calor, la reacción interatómica o intermolecular y es compatible con cualquier tipo de procedimiento de diseño de dispositivos a nanoescala.

En este artículo, se destaca principalmente el proceso de dopaje eléctrico. Este método de dopaje es útil para la fabricación de dispositivos a nanoescala, principalmente para la preparación de películas delgadas moleculares. En este método, la inserción de portadores de carga tiene lugar en los dos extremos del dispositivo molecular. Este proceso también se muestra en la Fig. 1. Este diagrama representa el método de dopaje eléctrico simple. Esta figura también muestra cómo se ha creado la caída de potencial debido a la inserción de dos portadores de carga iguales pero opuestos en los dos terminales de los electrodos. Estos electrodos son la parte importante del dispositivo molecular. La inserción de la carga se puede realizar a través de estos electrodos. Esta carga igual y opuesta crea una caída de potencial dentro de la región molecular central. Esta caída de potencial actúa como la fuerza impulsora de la conducción de carga entre dos electrodos, es decir, a través de la parte molecular central. Este es el proceso real de dopaje eléctrico. Aunque este proceso se utiliza hoy en día principalmente en el modelado analítico o teórico de dispositivos a nanoescala, también es útil para la preparación de películas delgadas moleculares orgánicas e inorgánicas.

Diagrama esquemático del proceso conceptual de dopaje eléctrico

La Figura 1 muestra cómo el electrón o el portador de carga fluye de un electrodo a otra dirección debido a la caída de potencial que se ha impuesto debido a la variación de polarización en los dos terminales de los electrodos.

Dopaje eléctrico a nivel molecular

Recientemente, los investigadores están interesados ​​en el procedimiento de dopaje controlado. Por tanto, este procedimiento de dopaje eléctrico ayuda a introducir un dopaje controlado para semiconductores inorgánicos. Por lo tanto, también es útil ajustar las propiedades eléctricas de estos semiconductores mediante la introducción del dopaje eléctrico. Este fenómeno de dopaje ayuda a sintonizar la brecha óptica de los semiconductores con su variación química. Este procedimiento de dopaje también es un proceso de bajo costo y útil para sustratos flexibles.

El procedimiento de dopaje eléctrico es el método mediante el cual se ha creado una diferencia de potencial entre los dos extremos del nanodispositivo. En este trabajo teórico [47, 48, 49, 50, 51, 52] lo hemos arreglado proporcionando una polaridad diferente pero un voltaje del mismo valor en los dos extremos del nanodispositivo a través de electrodos de dos sondas. El diagrama esquemático de este proceso teórico se muestra en la Fig. 2.

Diagrama esquemático del proceso conceptual de dopaje eléctrico (utilizando ATK-VNL)

Este enfoque teórico está involucrado para crear regiones positivas (p +) y negativas (n +) altamente dopadas, que son importantes para diseñar dispositivos nanosemiconductores para materiales orgánicos e inorgánicos.

Usando este procedimiento, los portadores de carga deben inyectarse en las interfaces moleculares. El dopaje eléctrico es un proceso controlado para moléculas orgánicas en lugar de películas delgadas inorgánicas. Por lo tanto, los dopantes pyn convencionales no son obligatorios para la inserción. Finalmente, el dopaje eléctrico aumenta la inyección del portador y disminuye el voltaje de accionamiento, lo que conduce a un aumento en la eficacia del dispositivo. Por lo tanto, el método de dopaje eléctrico depende únicamente de la inyección de transmisión electrónica o recepción de electrones a la molécula huésped.

La cadena de heterounión está hecha con biomoléculas de adenina y timina que se utilizan para detectar varios gases cuando la cadena pasa a través del nanoporo de una nanocapa de GaAs [47]. En ese caso, también se induce el dopaje eléctrico en las dos partes de esta nanohoja. Debido a la inductancia efectiva, esta cadena biomolecular muestra su capacidad para detectar las moléculas de gas extraño adsorbidas [47]. En el caso del diseño de nanodispositivos también se trata de la adsorción de moléculas. Por ejemplo, se investiga la adsorción de moléculas volátiles a una temperatura de 32 ° C en un nanoalambre de ZnO [53]. Utilizando el enfoque de primer principio basado en formalismos DFT y NEGF, nano-FET se puede diseñar utilizando varias modificaciones estructurales. También se observan varias propiedades de estos nano-FET, por ejemplo, evaluación de escalabilidad, orbital molecular ocupado más alto - brechas de orbital molecular desocupado más bajo (HOMO-LUMO), corriente máxima obtenible, rendimiento de RF, investigación de linealidad [54,55,56, 57,58,59,60,61]. El diodo molecular basado en cooligómeros conjugados se puede diseñar usando formalismos basados ​​en DFT y NEGF. Los co-oligómeros están conectados con dos electrodos y forman un diodo molecular. La brecha de energía, las características de corriente-voltaje (I – V) y las orientaciones espaciales se analizan para este diodo [62]. El enfoque del primer principio se aplica a las nanoestructuras optimizadas geométricamente de siete uniones diferentes que se derivan de nanotubos de carbono (CNT) utilizando diferentes enlazadores [63]. Se pueden implementar varios tipos de diodos utilizando el enfoque del primer principio basado en fórmulas DFT y NEGF. Por ejemplo, las características de diodo Schottky, diodo molecular simple, diodo de corriente de espín, diodo de espín bipolar, diodo molecular di-bloque, diodo inverso se implementan utilizando este enfoque [64,65,66,67,68].

Trabajos de investigación a nivel molecular basados ​​en el dopaje eléctrico

El dopaje eléctrico a nivel molecular juega un papel importante en la nanoelectrónica. Los investigadores están muy interesados ​​en introducir este procedimiento de dopaje en el procedimiento de diseño de dispositivos a nanoescala. El efecto de este dopaje ayuda a interactuar entre diferentes niveles moleculares de alineación. Este proceso no solo es útil para estudiar el nivel molecular de heterouniones orgánicas, sino que también es aceptable para materiales inorgánicos. Este dopaje ayuda a la formación de la interfaz con la ayuda de un dipolo y un movimiento equivalente en la posición comparativa de la interfaz molecular. Por lo tanto, este proceso de dopaje eléctrico es aceptable para la alineación de la interfaz molecular.

La miniaturización de dispositivos electrónicos convencionales es el área de investigación más emergente en la actualidad. Hay varios enfoques que llevan a motivar a los investigadores a investigar y estudiar la naturaleza de los dispositivos a nanoescala. Uno de los enfoques más importantes es diseñar y simular nanoestructuras analíticas. Se pueden diseñar muchos dispositivos importantes utilizando este procedimiento de simulación y analizar los resultados obtenidos [47, 55, 56]. Según el resultado, los investigadores pueden modificar los distintos parámetros de simulación, así como los diferentes aspectos del modelo analítico a nanoescala. Entre estos métodos de simulación, el enfoque del primer principio es el proceso más eficaz y popular. La modernización de los dispositivos electrónicos anima a los investigadores a innovar los dispositivos convencionales en una versión modificada. Por ejemplo, los dispositivos semiconductores tradicionales se pueden diseñar utilizando biomoléculas. En el caso de las biomoléculas en general, se han considerado bases nucleicas como la adenina, timina, guanina y citosina, que se conocen como los componentes básicos del ADN [47, 55]. Es muy común construir dispositivos semiconductores inorgánicos convencionales en el campo de la nanotecnología. Sin embargo, es difícil construir dispositivos electrónicos orgánicos que utilicen principalmente biomoléculas. Estos semiconductores se caracterizan en función de las propiedades de dopaje. Si el semiconductor no tiene impurezas dopadas, entonces se denomina semiconductor intrínseco o puro. Por otro lado, si el semiconductor está dopado con átomos o moléculas extrañas, entonces se le conoce como semiconductor extrínseco o impuro [55,56,57,58,59,60].

Hoy en día, el diseño de dispositivos a nanoescala es un aspecto desafiante para los investigadores. Diodos, transistores, puertas lógicas ya se han implementado a nivel molecular. Existe otro ámbito para que los investigadores implementen dispositivos nanobiosemiconductores a nivel molecular. Algunos de estos dispositivos biomoleculares ya se han introducido en el campo de la biomedicina. El diseño teórico de estos nanodispositivos se ha implementado utilizando el kit de herramientas Atomistix y el simulador de software Quantumwise basado en el laboratorio virtual Nano (ATK-VNL) versión 13.8.0 [69,70,71,72,73,74,75,76] . Incluso la lógica de Quantum Cellular Automata (QCA) se puede implementar teóricamente utilizando el enfoque del primer principio basado en DFT y NEGF [77]. Se pueden diseñar varias puertas lógicas utilizando biomoléculas, y los resultados obtenidos de estas implicaciones teóricas también se han validado utilizando Multi-Sim o SPICE u otros simuladores [70]. El proceso de dopaje eléctrico es la característica clave que se introduce para obtener una corriente óptima. La corriente de túnel a través del canal molecular se ve afectada por varios factores como el efecto de retrodispersión, etc. Al implementar este proceso de dopaje, podemos evitar los problemas relacionados con el proceso de dopaje convencional. El modelo de combinación de dipolos para el ajuste de la barrera de Schottky también se sugiere en la interfaz metal-semiconductor a nivel molecular [78]. El enfoque del primer principio también es aplicable a la unión de túnel magnético, y se han analizado sus propiedades electrónicas cuánticas [79]. Para calcular la corriente de fuga a través de SiO 2 y SiO x N y basado en MOSFET, los investigadores utilizaron el enfoque de primer principio basado en DFT y NEGF [80]. Este modelado ab-initio se aplica para modelar el ajuste de la altura de la barrera de Schottky utilizando la interfaz de escala atómica de itrio y siliciuro de níquel [81]. La tunelización directa de banda a banda en nanocintas de unión p – n de MOS2 con polarización inversa se puede describir utilizando DFT y NEGF [82]. El efecto de la incorporación de átomos dopantes de polaridades opuestas en el nanoalambre exhibe propiedades eléctricas como el diodo Zener [83]. El efecto de filtrado de doble giro se puede ver en el nitrito de itrio semimetálico YN 2 [84]. La investigación de la FET biomolecular heteroestructura se puede observar utilizando esta técnica de dopaje eléctrico. El transporte balístico cuántico se puede observar utilizando este fenómeno de dopaje eléctrico a nivel molecular [85]. Utilizando este enfoque teórico, el interruptor biomolecular dopado eléctricamente se diseña cuando se utilizan nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) como electrodos [86]. Los formalismos NEGF ayudan a diseñar un diodo túnel resonante anti-punto basado en grafeno [87]. Las características atomísticas de las uniones p – n bidimensionales de silicio se han demostrado utilizando el enfoque del primer principio [88]. Los diodos y los transistores son los componentes básicos de cualquier circuito electrónico. Las puertas lógicas también se pueden implementar utilizando diodos y transistores. Por lo tanto, cualquier lógica puede implementarse usando formalismos de primer principio.

En la tendencia reciente de la nanotecnología, los investigadores se han interesado en diseñar y caracterizar las diversas características electromecánicas de los dispositivos bioinspirados y semiconductores a escala atómica. Estos dispositivos bioinspirados son altamente biocompatibles y crean un puente entre el área de los semiconductores y el campo de la investigación bi-molecular. La tecnología CMOS ya está saturada. Por tanto, el objetivo de los investigadores es reemplazarlos y crear un puente entre ellos. Los investigadores ya han planteado varias propuestas para unir la tecnología CMOS con tecnología bioinspirada como el ADN o cualquier otra biomolécula. Las partes importantes del ADN son las bases nitrogenadas de adenina, timina, citosina y guanina. Estas bases nitrogenadas han formado compuestos con azúcar ribosa y grupos fosfato para formar oligonucleótidos. Este oligonucleótido tiene grupos fosfato como columna vertebral. Se han mejorado las correlaciones de señales dinámicas para la identificación de biomoléculas y ADN [89]. La translocación del ADN, la transmisión electrónica y el modelado semiempírico a través de nanoporos de grafeno también pueden ser posibles teóricamente utilizando DFT y NEGF [90,91,92,93]. El análisis de ADN también puede ser posible con electrodos de grafeno utilizando modelos semiempíricos [94]. También se ha hecho posible el reconocimiento de pares de bases de ácidos nucleicos utilizando propiedades de transporte transversal [95]. El grupo de investigadores también ha propuesto la conductancia a través del ADN inyectado [96]. También se ha incorporado la mejora electrónica mediante el procedimiento de dopaje a los pares de bases del ADN para mejorar la conductividad [97]. La promoción electrónica también ha sido posible mediante el proceso de transferencia de doble protón [98]. El reconocimiento de nucleótidos por el método de túnel cruzado también ha sido posible utilizando el enfoque del primer principio [99]. Los factores estructurales controlan la conductividad del ADN, y esto también se ha discutido en [100]. Los dispositivos a nanoescala exhiben un enorme fenómeno de transporte cuántico para diferentes tipos de modelado de dispositivos a nanoescala [56, 58, 59, 101,102,103,104,105,106,107]. Estos dispositivos incluyen FET, diodos e interruptores ópticos [60, 68, 108,109,110,111,112,113,114,115,116]. Este trabajo propuesto es un enfoque para hacer un puente entre las biomoléculas con la tecnología de semiconductores III-V. La heteroestructura de biomoléculas y materiales nanocristalinos III-V también se puede diseñar utilizando el enfoque teórico del primer principio. Además, las propiedades eléctricas y ópticas del grafeno codopado con nitrógeno y oro se investigan utilizando formalismos de primer principio. El formalismo de primer principio se utiliza para descubrir el cambio de las características mecánicas cuánticas y la investigación de varias propiedades electrónicas u ópticas de las moléculas orgánicas e inorgánicas. También se puede investigar el grafeno vacante defectuoso y el grafeno dopado con Mn hacia el H 2 S absorción. La investigación del ferromagnetismo utilizando el enfoque del primer principio para la monocapa de AlN dopada con metales de transición también es una tendencia emergente. Se investiga el efecto de dopaje para MoS 2 monocapa el uso de DFT para luz visible es un tema importante de discusión. 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 / cm 3

  • Effective doping = \(\frac{x}{{abc \times 10^{ - 21} }}\) = abc  × 10 21 / 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.

Conclusión

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.

Disponibilidad de datos y materiales

All the data and material are available in the manuscript.

Abreviaturas

DFT:

Teoría funcional de la densidad

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:

Nanotubos de carbono

I–V:

Current–voltage

QCA:

Quantum cellular automata

YN2 :

Yttrium nitrite

ATK-SE:

Atomistix Tool Kit-Semi-empirical


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