Elektrisch dotierte nanoskalige Bauelemente nach dem First-Principle-Ansatz:Eine umfassende Studie

Einführung

Die Dotierung spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften und deren Anwendungen verschiedener organischer oder anorganischer Materialien, insbesondere für Halbleiter. Diese Methode hat sich für die Halbleiterphysikindustrie erfolgreich bewährt. Eine geringe Zugabemenge an Verunreinigungen bestimmt die Dotierstoffkonzentration und die elektrische Leitfähigkeit der Materialien. Es wird beobachtet, dass ein idealer Dotierstoff eine ideale Löslichkeit in seinem Wirtsmaterial aufweisen sollte und außerdem ein niedriges Defektniveau aufweist. Einige grundlegende Probleme hängen jedoch mit dieser Art von herkömmlichem Dotierungsprozess zusammen, beispielsweise Dotierungsengpässe, die die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung stark beeinflussen. Diese Art der Leistungsverschlechterung wurde bei Materialien mit großer Bandlücke stark beobachtet.

Beispielsweise ist im Fall der Minima des Hochleitungsband-Bauelements die n-Dotierung eine Herausforderung, während die Maxima des Niedervalenzband-Bauelements ebenfalls kompliziert ist [1, 2]. Daher treten bei dem bipolaren Dotierungsprozess in Breitbandhalbleitern einige Probleme auf. Es wird beobachtet, dass entweder p-Typ- oder n-Typ-Dotierstoffe eingefügt werden können, jedoch nicht zusammen [3]. Um diese Art von Problem zu kompensieren, wurde daher eine praktikable Lösung in den Bereich der Dotierung aufgenommen. Diese Art des vorgeschlagenen Ansatzes ist als elektrische Dotierung bekannt, die nicht von dieser Art der bipolaren Dotierung abhängt. Die elektrische Dotierung wurde eingeführt, um die Probleme der bipolaren Dotierung zu lösen. In den späten 1980er und 1990er Jahren beobachteten Forscher, dass III-V-Verbindungen wie ein Einkristall von GaN schwierig zu züchten sind. Darüber hinaus waren zur Zeit der späten 1990er Jahre auch Substrate für die kommerzielle Nutzung von GaN nicht verfügbar. Der Grund dafür wurde so erklärt, dass der Unterschied zwischen Gitterkonstanten und Wärmeausdehnungskoeffizienten des Saphirsubstrats und des GaN-Halbleiters das Aufwachsen einer hochwertigen GaN-basierten Epitaxieschicht auf dem Saphirsubstrat schwierig machte. Andererseits war es fast unmöglich, einen p-Typ-GaN-Halbleiter aufgrund von Kombinationen aus hoher n-Typ-Hintergrundkonzentration und niedriger p-Typ-Dotierungsaktivität zu erhalten. Dieses Problem kann durch das elektrische Dotierungsphänomen von Rudaz im Jahr 1998 deutlich überwunden werden. In den späten 1980er Jahren entdeckten Wissenschaftler die Bedeutung des Wachsens von GaN- oder AlN-Pufferschichten, um GaN-basierte LEDs bei niedrigen Temperaturen zu demonstrieren. Der thermische Temperprozess nach dem Wachstum hilft, das Wachstum von p-Dotierstoffen in GaN-Pufferschichten zu aktivieren. Diese Fortschritte beschleunigten das Wachstum in der Geräteentwicklung des III-V-Nitrid-Halbleitermaterialsystems für optoelektronische Breitbandgeräte [4]. Das GaN-Substrat und der thermische Temperprozess nach dem Wachstum spielen auch bei dieser Technik eine wichtige Rolle [5,6,7]. Seit einigen Jahrzehnten spielt die Plasmaätztechnologie eine wichtige Rolle in der Ultra-Large-Scale-Technologie (ULSI), um die Mustergröße zu verkleinern. Dies führte uns zur Evolution der Nanotechnologie. Gleichzeitig war die Plasmatechnologie beispielsweise mit einigen inhärenten Problemen konfrontiert; Ladungsaufbau, Photonen-UV-Strahlung sowie Ätzleistung für nanoskalige Bauelemente. Um diese Probleme zu beseitigen und praktikable nanoskalige Bauelemente herzustellen, ist ein Neutralstrahl-Ätzverfahren auf den Markt gekommen. S. Samukawa hat diese neutralen Strahlquellen vorgestellt und auch über die Kombination von Top-Down- und Bottom-Up-Verarbeitung für zukünftige Nanogeräte gesprochen. Die Neutralstrahltechnologie wird ätzungsfrei ausgeführt, da sie atomar verwendet wird. Mit dieser Technik kann auch eine Oberflächenmodifizierung von anorganischen und organischen Materialien durchgeführt werden. Diese Technik ist ein fähiger Anwärter für die praktische Herstellungstechnologie für zukünftige Nanogeräte [8]. Diese hochdichte Plasmatechnologie umfasst induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) und Elektron-Zyklotron-Resonanz-(ECR)-Plasma, die die Schlüsselmethoden für die Implementierung dieser Plasmatechnik sind. Mit dieser Technik sind jedoch mehrere Probleme verbunden, wie zum Beispiel

• Verschiedene Arten von Strahlung können den Ladungsaufbau von positiven Ionen und Elektronen beschädigen [8,9,10,11,12].

• Die Strahlung von ultravioletter (UV) und vakuumultravioletter (VUV) Strahlung kann auch nanoskalige Geräte beschädigen.

• Röntgenphotonen können während dieses Plasmaätzproblems auch das Aufbrechen von nanoskaligen Geräten verursachen [13,14,15,16,17,18,19,20,21].

• Aufgrund des Ladungsaufbaus aufgrund der Spannungserzeugung verzerren die Ionenflugbahnen dies auch zum Bruch der dünnen Gate-Oxidschichten.

• Darüber hinaus führen UV- oder VUV-Photonen, die von der High-Density-Plasma-Ätztechnik abgestrahlt werden, zur Erzeugung von Kristalldefekten.

Diese Probleme verschlechtern die elektrischen Eigenschaften von Geräten im Nanomaßstab stark. Daher können diese Probleme vermieden werden, indem ein Hochleistungs-Neutralstrahl-Ätzsystem verwendet wird. S. Samukawa und seine Gruppe haben eine hocheffiziente Neutralstrahlquelle erfunden, um das ultimative Top-Down-Ätzen für zukünftige nanoskalige Geräte zu realisieren. Sie stellten die ultimativen Ätzprozesse für zukünftige nanoskalige Geräte von 50 nm bis unter 10 nm unter Verwendung unserer neuen neutralen Strahlquellen vor.

Dieser Brief ist daher wie folgt aufgebaut. Zunächst wird der historische Fahrplan des Elektrodopings kurz betrachtet. Danach werden wir einige experimentelle Arbeiten auf molekularer Ebene besprechen, da dieser Dotierungsprozess auch Auswirkungen auf die molekulare Ebene hat. Anschließend geben wir kurze Diskussionen über eine Vielzahl von Forschungsarbeiten im Zusammenhang mit dem elektrischen Dotierungsprozess. Einige der Bedeutungen der elektrischen Dotierung werden im folgenden Abschnitt beschrieben. Weiterhin beschreiben wir die Methode des elektrischen Dotierungsprozesses. Schließlich schließen wir mit der kurzen Diskussion der vergleichenden Studie zwischen konventioneller Dotierung und elektrischer Dotierung.

Historischer Fahrplan für Elektrodoping

Obwohl sich diese Studie hauptsächlich auf elektrisches Doping auf molekularer Ebene konzentriert, ist es wichtig, zunächst die Frühgeschichte des konventionellen Dopings zu betrachten. Im Jahr 1930 wurde festgestellt, dass die Leitfähigkeit von Halbleitern durch das Vorhandensein einer geringen Anzahl von Verunreinigungen beeinträchtigt wurde [2, 22, 23]. Im Jahr 1931 wurde der erste quantenmechanische Formalismus für halbleitende Materialien verwendet [24]. Der Prototyp eines p-n-Übergangs wurde von Davydov im Jahr 1938 erfolgreich demonstriert [25, 26]. In diesem Artikel wurde die Bedeutung von Minoritätsträgern erläutert. Woodyard führte das Konzept des „Dopings“ ein. Er baute eine kleine Portion Phosphor, Arsen oder Antimon in reines Germanium ein. Diese Zugabe von Verunreinigungen erhöht die elektrischen Eigenschaften von Germanium [27]. Shockley schlug seine historische Erfindung, d. h. den „Junction-Transistor“ im Jahr 1949 vor. Diese Erfindung verändert die Geometrie der Halbleiterindustrie [28]. Obwohl die Erfindung des bipolaren Übergangs einen Tsunami für die Entwicklung in der Halbleiterindustrie auslöste, hatte sie auch mehrere Probleme im Zusammenhang mit Transistoren. Zum Beispiel sollten zwei p-n-Schichten in einem dünnen Raum Rücken an Rücken miteinander verbunden werden. Dieses Problem wurde nach der Erfindung des „Grown Junction Transistor“ im Bell-Labor im Jahr 1950 durch ein Doppeldotierungsverfahren beseitigt [29, 30]. Beim „Double-Doping“-Verfahren wurde dem geschmolzenen n-Typ-Germanium eine Prise Gallium zugesetzt, wodurch Germanium in p-Typ umgewandelt wurde. Danach wurde eine Prise Antimon hinzugefügt, die es vom p-Typ zurück in den n-Typ umwandelt [31]. Bei diesem Verfahren wurden zwei Arten von Dotierungsmitteln Rücken an Rücken zugegeben. Es gibt eine andere Art des Dopings, die in den frühen 1950er Jahren entwickelt wurde, die als „Co-Doping“ bekannt ist. Die p- und n-Übergänge gelten als „Co-Dotierung“ eines Halbleiters. Die Dotierung auf molekularer Ebene ist auch ein wichtiger Bestandteil der elektrischen Dotierung. Im Jahr 1998 schlug Rudaz eine Methode vor, um den Effekt der elektrischen Dotierung durch Reduzierung der Materialrissbildung für III-V-Halbleiter zu maximieren [4]. Im Jahr 2002 haben Zhou et al. demonstrierten eine vakuumabgeschiedene transparente organische Leuchtdiode, die unter Verwendung des elektrischen Dotierungsprozesses auch eine Niederspannungsvorrichtung ist. Elektrische Dotierung spielt eine entscheidende Rolle, um die Leistung organischer Bauelemente zu verbessern. Bei organischen LEDs (OLEDs) findet eine elektrisch dotierte Trägerinjektion statt. Die Transportschichten zeigen niedrige treibende Spannungen, was im Allgemeinen auf die Radikalanionen, Kationen und ohmschen Kontakte am Ende der Elektrodengrenzflächen zurückzuführen ist. Ultra-Niederspannungs-OLEDs werden mit 2,6 V für 100 cd/m ² . im Vakuum abgeschieden in p–i–n-Struktur. Daher ist eine intrinsische Emission zwischen der p- und n-Typ-Transportschicht mit breiter Bandlücke eingeschlossen. Die Aktivitäten im Zusammenhang mit der elektrischen Dotierung in organischen molekularen Filmen werden in einigen Studien hervorgehoben [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].

Dies ist eines der Verfahren, um den Ionenbombardement-Prozess beim Entwurf von Vorrichtungen im atomaren Maßstab zu vermeiden. Gao und Kahn [43] haben diesen Prozess an molekularen dünnen Filmen demonstriert. Diese Verbindungen zum Beispiel Polycarbonat Polymer mit Tris(4-bromphenyl)aminium hexachloroantimonat (TBAHA) 4,4′,4″-Tris(3-methylphenylphenylamino)-triphenylamin (m-MTDATA) Lochtransportschicht p dotiert mit F4-TCNQ werden verwendet, um erfolgreich verschiedene OLEDs-Compound-Device-Layer herzustellen [45, 46]. Dieses Verfahren wurde auch in organischen Photovoltaikzellen (OPVC) verwendet. Dieser Prozess wurde auch zur Abstimmung auf molekularer Ebene und auch zur Verbesserung der Effizienzsteigerung der Vorrichtung durch Trägerinjektion verwendet. Die Leitfähigkeit des molekularen Films erhöht sich bei der Dotierung des n- und p-Typs unter Verwendung dieses Verfahrens in hohem Maße. Dieses Dotierungsverfahren wird in großem Umfang für ohmsche Kontakte auf anorganischen Halbleitern verwendet [43,44,45,46]. Organische LEDs halten heute im Bereich der molekularen Nanotechnologie effektives Filmmaterial. In III–V-Halbleitern können mit diesem Dotierungsprozess n-Typ-Kontakte und das Einfügen externer n-Typ-Moleküle ermöglicht werden. Elektrische Dotierung hilft auch dabei, Phänomene wie elektrischen Widerstand, Ladungsträgereinfügung, Ladungsträgerrekombination in die molekulare Grenzschicht zu ermöglichen. Organische Photovoltaikzellen (OPVC) sind eine der relevantesten Anwendungen des elektrischen Dotierungsphänomens. Bei der Pegelausrichtung für OPVC wirkt sich dieser Prozess auf die Leitfähigkeit dieser Zellen aus. Durch dieses Verfahren wird schließlich die Ladungsträgereinfügung erhöht. Bei meta-organischen Grenzflächen setzt dieses Verfahren ein und führt zur Anordnung einer Verarmungsschicht, durch die eine Quantentunnelübertragung stattfinden kann. Dies ist einer der effizienten Prozesse, die effektiv für die organische und anorganische Kontaktherstellung verwendet werden können. Dieser Prozess hilft auch, die Ladungsneutralität für molekulare Dünnschichten zu verschieben. Darüber hinaus können mit diesem Verfahren ca. 0,1 bis 1 % Fremdmoleküle an die molekularen Grenzflächen eingebunden werden. Diese Menge an Dotierungskonzentration ist für das herkömmliche Dotierungsverfahren eine große Zahl. Dieses Niveau der Dotierungskonzentration trägt dazu bei, degenerierte Halbleiter zu erzeugen. Diese hohe Dotierungskonzentration hilft, die nachfolgende Bildung von Dotierungs-induzierten Banden zu verhindern [34, 43,44,45,46].

Elektrischer Dopingprozess und seine Bedeutung

Die wichtigste und wichtigste Technik für die elektrische Dotierungsmethode ist die Kontrolle des Fermi-Niveaus mit diesem Verfahren. Daher ist diese Technik in den letzten Jahrzehnten bei anorganischen und organischen Halbleitern sehr beliebt. Die elektrische Dotierung hat in den letzten Jahren im Bereich der bioinspirierten Nanotechnologie besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Elektrische Dotierung ist der Prozess der elektronischen Ladungsinsertion oder deren Aufnahme in molekulare Filme. Das Schlüsselmerkmal dieses Prozesses besteht darin, dass die konventionelle n- und p-Dotierung nicht eingeschränkt werden kann, um die Bipolarität zu erreichen. Das konventionelle Ionisierungsverfahren wird für diese Art von elektrischem Dotierungsverfahren nicht angewendet [43,44,45,46]. Das elektrische Dotierungsverfahren wurde eingeführt, um Ionenbeschuss zu vermeiden, der bei der Modellierung von Geräten im Nanomaßstab im Allgemeinen nicht möglich ist.

Diese Dotierungsmethode wurde hauptsächlich in zwei Schritten bestimmt:

• Der erste Schritt besteht in einem Einzelelektronentransfer vom Donor zu einem Akzeptor (in Moleküle).

• Zweitens ist es mit der Methode der Dissoziation des ganzzahligen Charge-Transfer-Komplexes im Grundzustand verbunden.

Somit wird bestätigt, dass die elektrische Dotierung nichts anderes ist als eine Verschiebung des Fermi-Niveaus entweder zum höchsten besetzten (Valenzband) molekularen Niveau oder zum niedrigsten unbesetzten (Leitungsband) molekularen Zustand. Wenn der kostenlose Mobilfunkanbieter ρ . ist , N _A ⁻ ist die ionisierte Dotierstoffdichte, N _A die neutrale Dotierstoffkonzentration ist, dann ist die freie Ladungsträgerdichte wie in Gl. (1). In dieser Gleichung ist E _A und E _F sind die Akzeptor- und Fermi-Niveau-Energien und K _B ist die Boltzmann-Konstante bei absoluter Temperatur T [124]

Diese Dotierungstechnik wurde unter Verwendung von Zwei-Sonden-Designtechniken im Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL) ausgeführt. Die Anzahl bioinspirierter atomistischer Geräte ist das Herzstück der Nanotechnologie. Diese Geräte arbeiten mit einer ultrahohen THz-Frequenz. Die für diese Geräte berechnete Frequenz liegt bei etwa THz. Zum Beispiel in einem Artikel, in dem Transporteigenschaften für einen GaAs-Adenin-GaAs-Halbleitertunnelübergang dargestellt sind. In diesem Artikel wird die Betriebsfrequenz über 25THz [125] angegeben.

Dotierung ist eine absichtliche Induktion externer Verunreinigungen in ein reines Halbleitermaterial aufgrund verbesserter elektrischer Eigenschaften. Die Bedeutung des elektrischen Dotierungsprozesses kann wie folgt beschrieben werden.

Dieses elektrische Dotierungsverfahren unterscheidet sich von dem herkömmlichen Dotierungsverfahren. Beim herkömmlichen Dotierungsverfahren wird das Halbleitermaterial mit extrinsischen Dotierstoffen oder Störstellen dotiert. Dieser Prozess ist der Hochtemperaturprozess. Es besteht die Möglichkeit, dass Bindungen während dieses Hochtemperatur-Dotierungsprozesses brechen. Das Ionisationsverfahren wird auch verwendet, um dieses Dotierungsverfahren zu implementieren. Andererseits hängt der elektrische Dotierungsprozess überhaupt nicht mit Verunreinigungen zusammen. Wie bei diesem Verfahren werden an den beiden Enden des Geräts entgegengesetzte Ladungen induziert. Daher wird es einen potentiellen Abfall im zentralen molekularen Bereich der Nanovorrichtung erzeugen. Diese Methode ist für das Design von Nanogeräten sehr hilfreich, da die Ionisationsmethode eine strukturelle Verformung der Nanomaterialien erzeugen kann. Bei konventioneller Dotierung können mehrere Probleme auftreten. Einige der Hauptprobleme sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Unterscheidung zwischen konventioneller und elektrischer Dotierung wird in Tabelle 1 umrissen und hilft auch zu verstehen, wie wichtig die elektrische Dotierung für die Herstellung von Bauelementen im Nanomaßstab ist.

Diese Tabelle 1 zeigt, warum elektrische Dotierung für die molekulare Ebene wichtig ist. Diese Dotierung vermeidet die Wärmeentwicklung, interatomare oder intermolekulare Reaktionen und ist mit jeder Art von Designverfahren für nanoskalige Geräte kompatibel.

In diesem Artikel wird hauptsächlich der elektrische Dotierungsprozess hervorgehoben. Dieses Dotierungsverfahren ist nützlich für die Herstellung von Vorrichtungen im Nanomaßstab, hauptsächlich für die Herstellung von molekularen Dünnfilmen. Bei diesem Verfahren erfolgt die Einbringung von Ladungsträgern an den beiden Enden des molekularen Bauelements. Dieser Prozess ist auch in Fig. 1 dargestellt. Dieses Diagramm stellt das einfache elektrische Dotierungsverfahren dar. Diese Figur zeigt auch, wie ein Potentialabfall aufgrund der Einfügung von zwei gleichen, aber entgegengesetzten Ladungsträgereinfügungen an den beiden Elektrodenanschlüssen erzeugt wurde. Diese Elektroden sind der wichtige Teil des molekularen Geräts. Die Ladungseinfügung kann durch diese Elektroden erfolgen. Diese gleiche und entgegengesetzte Ladung erzeugt einen Potentialabfall innerhalb der zentralen molekularen Region. Dieser Potentialabfall wirkt als treibende Kraft der Ladungsleitung zwischen zwei Elektroden, d. h. durch den zentralen molekularen Teil. Dies ist der eigentliche Vorgang der elektrischen Dotierung. Obwohl dieses Verfahren heutzutage hauptsächlich in der analytischen oder theoretischen Modellierung von nanoskaligen Geräten verwendet wird, ist es auch für die Herstellung organischer und anorganischer molekularer Dünnfilme nützlich.

Schematische Darstellung des konzeptionellen elektrischen Dotierungsprozesses

Abbildung 1 zeigt, wie Elektronen oder Ladungsträger von einer Elektrode in eine andere Richtung fließen, und zwar aufgrund des Potenzialabfalls, der aufgrund der Vorspannung an den beiden Elektrodenanschlüssen entsteht.

Elektrisches Doping auf molekularer Ebene

Neuerdings interessieren sich Forscher für kontrollierte Dopingverfahren. Daher hilft dieses elektrische Dotierungsverfahren, eine kontrollierte Dotierung für anorganische Halbleiter einzuführen. Daher ist es auch hilfreich, die elektrischen Eigenschaften dieser Halbleiter durch Einbringen von elektrischer Dotierung abzustimmen. Dieses Dotierungsphänomen hilft, die optische Lücke von Halbleitern mit ihrer chemischen Variation abzustimmen. Dieses Dotierungsverfahren ist auch ein kostengünstiges Verfahren und für flexible Substrate nützlich.

Das elektrische Dotierungsverfahren ist das Verfahren, bei dem eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden der Nanovorrichtung erzeugt wurde. In dieser theoretischen Arbeit [47,48,49,50,51,52] haben wir dies arrangiert, indem wir an den beiden Enden der Nanovorrichtung über Zwei-Sonden-Elektroden unterschiedliche Polarität, aber gleichwertige Spannung bereitstellen. Das schematische Diagramm für diesen theoretischen Prozess ist in Abb. 2 dargestellt.

Schematische Darstellung des konzeptionellen elektrischen Dotierungsprozesses (mit ATK-VNL)

Dieser theoretische Ansatz dient dazu, hochdotierte positive (p+) und negative (n+) Bereiche zu erzeugen, die wichtig sind, um Nanohalbleiterbauelemente für organische und anorganische Materialien zu entwickeln.

Bei diesem Verfahren sollen Ladungsträger in die molekularen Grenzflächen injiziert werden. Die elektrische Dotierung ist eher ein kontrollierter Prozess für organische Moleküle als für anorganische Dünnschichten. Daher sind herkömmliche p- und n-Dotierstoffe zum Einfügen nicht zwingend erforderlich. Schließlich erhöht die elektrische Dotierung die Ladungsträgerinjektion und verringert die Ansteuerspannung, was zu einem Anstieg der Wirksamkeit der Vorrichtung führt. Somit hängt das elektrische Dotierungsverfahren allein von der Injektion entweder der elektronischen Übertragung oder des Elektronenempfangs an das Wirtsmolekül ab.

Die Heteroübergangskette besteht aus Adenin- und Thymin-Biomolekülen, die verwendet werden, um mehrere Gase zu erfassen, wenn die Kette durch die Nanopore eines GaAs-Nanoblatts strömt [47]. In diesem Fall wird auch die elektrische Dotierung an den beiden Teilen dieses Nanoblattes induziert. Aufgrund der effektiven Induktivität zeigt diese biomolekulare Kette ihre Fähigkeit, die adsorbierten Fremdgasmoleküle zu erfassen [47]. Beim Nanodevice-Design geht es auch um die Adsorption von Molekülen. Beispielsweise wird die Adsorption flüchtiger Moleküle bei 32 °C Temperatur in ZnO-Nanodrähte untersucht [53]. Unter Verwendung des auf DFT- und NEGF-Formalismen basierenden First-Principle-Ansatzes können Nano-FETs unter Verwendung verschiedener struktureller Modifikationen entworfen werden. Es werden auch verschiedene Eigenschaften dieser Nano-FETs beobachtet, z. B. Skalierbarkeitsbewertung, höchste besetzte Molekülorbital-niedrigste unbesetzte Molekülorbital-(HOMO-LUMO)-Abstände, maximal erhältlicher Strom, HF-Leistung, Linearitätsuntersuchung [54,55,56, 57,58,59,60,61]. Auf konjugierten Co-Oligomeren basierende molekulare Dioden können unter Verwendung von DFT- und NEGF-basierten Formalismen entworfen werden. Die Co-Oligomere sind mit zwei Elektroden verbunden und bilden eine molekulare Diode. Für diese Diode werden die Energielücke, Strom-Spannungs-(I-V)-Kennlinien und räumliche Orientierungen analysiert [62]. Der First-Principle-Ansatz wird auf die geometrisch optimierten Nanostrukturen von sieben verschiedenen Junctions angewendet, die mit unterschiedlichen Linkern von Carbon Nanotube (CNT) abgeleitet werden [63]. Mit dem auf DFT- und NEGF-Formeln basierenden First-Principle-Ansatz können verschiedene Arten von Dioden implementiert werden. Zum Beispiel werden Schottky-Dioden, einzelne Molekulardioden, Spinstromdioden, bipolare Spindioden, Diblock-Molekulardioden, Rückwärtsdioden-Eigenschaften daher unter Verwendung dieses Ansatzes implementiert [64,65,66,67,68].

Forschungsarbeiten auf molekularer Ebene basierend auf elektrischer Dotierung

Elektrische Dotierung auf molekularer Ebene spielt in der Nanoelektronik eine wichtige Rolle. Die Forscher sind sehr daran interessiert, dieses Dotierungsverfahren bei der Entwicklung von Geräten im Nanomaßstab einzuführen. Die Wirkung dieser Dotierung hilft, eine Schnittstelle zwischen verschiedenen molekularen Ausrichtungsebenen herzustellen. Dieser Prozess ist nicht nur hilfreich, um die molekulare Ebene organischer Heterojunctions zu untersuchen, sondern ist auch für anorganische Materialien akzeptabel. Diese Dotierung hilft bei der Grenzflächenbildung mit Hilfe von Dipol und äquivalenter Bewegung in die Vergleichsposition der molekularen Grenzfläche. Somit ist dieser Prozess der elektrischen Dotierung für die Ausrichtung der molekularen Grenzflächen akzeptabel.

Die Miniaturisierung konventioneller elektronischer Geräte ist heutzutage das am stärksten aufstrebende Forschungsgebiet. Es gibt mehrere Ansätze, die Forscher dazu motivieren, die Natur nanoskaliger Geräte zu untersuchen und zu untersuchen. Einer der wichtigsten Ansätze besteht darin, analytische Nanostrukturen zu entwerfen und zu simulieren. Viele signifikante Geräte können mit diesem Simulationsverfahren entworfen und die erhaltenen Ergebnisse analysiert werden [47, 55, 56]. Anhand des Ergebnisses können die Forscher die verschiedenen Simulationsparameter sowie die verschiedenen Aspekte des nanoskaligen Analysemodells modifizieren. Unter diesen Simulationsmethoden ist der First-Principle-Ansatz das effektivste und beliebteste Verfahren. Die Modernisierung elektronischer Geräte ermutigt Forscher, konventionelle Geräte in einer modifizierten Version zu erneuern. Herkömmliche Halbleiterbauelemente können beispielsweise unter Verwendung von Biomolekülen entworfen werden. Bei Biomolekülen allgemein kommen Nukleobasen wie Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin in Betracht, die als Grundbausteine ​​der DNA bekannt sind [47, 55]. Im Bereich der Nanotechnologie ist es sehr üblich, konventionelle anorganische Halbleiterbauelemente zu konstruieren. Es ist jedoch schwierig, organische elektronische Geräte hauptsächlich unter Verwendung von Biomolekülen zu konstruieren. Diese Halbleiter werden in Abhängigkeit von den Dotierungseigenschaften charakterisiert. Wenn der Halbleiter keine Fremdstoffdotierung aufweist, wird er als intrinsischer oder reiner Halbleiter bezeichnet. Wenn der Halbleiter dagegen mit Fremdatomen oder -molekülen dotiert ist, wird er als extrinsischer oder unreiner Halbleiter bezeichnet [55,56,57,58,59,60].

Heutzutage ist das Design von nanoskaligen Geräten ein herausfordernder Aspekt für Forscher. Dioden, Transistoren, Logikgatter wurden bereits auf molekularer Ebene implementiert. Es gibt noch einen weiteren Spielraum für Forscher, Nanobiohalbleitergeräte auf molekularer Ebene zu implementieren. Einige dieser biomolekularen Geräte wurden bereits in der Biomedizin eingeführt. Das theoretische Design dieser Nanogeräte wurde mit dem Atomistix-Tool Kit und dem Virtual Nano Laboratory (ATK-VNL)-basierten Quantumwise-Softwaresimulator Version 13.8.0 implementiert [69,70,71,72,73,74,75,76] . Sogar die Logik von Quantum Cellular Automata (QCA) kann theoretisch mithilfe des DFT- und NEGF-basierten First-Principle-Ansatzes implementiert werden [77]. Das Design verschiedener Logikgatter kann unter Verwendung von Biomolekülen ermöglicht werden, und die aus diesen theoretischen Implikationen erhaltenen Ergebnisse wurden auch mit Multi-Sim oder SPICE oder anderen Simulatoren validiert [70]. Der elektrische Dotierungsprozess ist das Schlüsselmerkmal, das eingeführt wird, um einen optimalen Strom zu erhalten. Der Tunnelstrom durch den molekularen Kanal wird von verschiedenen Faktoren wie Rückstreueffekt usw. beeinflusst. Durch die Implementierung dieses Dotierungsprozesses können wir die Probleme im Zusammenhang mit dem herkömmlichen Dotierungsprozess vermeiden. Das Dipol-Kombinationsmodell für die Schottky-Barriere-Abstimmung wird auch an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche auf molekularer Ebene vorgeschlagen [78]. Der First-Principle-Ansatz ist auch auf magnetische Tunnelkontakte anwendbar, und ihre quantenelektronischen Eigenschaften wurden analysiert [79]. Um den Leckstrom durch SiO₂ . zu berechnen und SiO_x N_y -basierten MOSFET verwendeten die Forscher den DFT- und NEGF-basierten First-Principle-Ansatz [80]. Diese ab-initio-Modellierung wird zur Modellierung der Höhenabstimmung der Schottky-Barriere unter Verwendung der atomaren Grenzfläche von Yttrium und Nickelsilicid angewendet [81]. Direktes Band-zu-Band-Tunneln in in Sperrrichtung vorgespannten MOS2-p-n-Übergangs-Nanobändern kann mit DFT und NEGF beschrieben werden [82]. Der Effekt des Einbaus von Dotieratomen mit entgegengesetzten Polaritäten in den Nanodraht zeigt elektrische Eigenschaften wie eine Zener-Diode [83]. Der Dual-Spin-Filtereffekt ist im halbmetallischen Yttriumnitrit YN₂ . zu sehen [84]. Die Untersuchung von biomolekularen FETs mit Heterostruktur kann unter Verwendung dieser elektrischen Dotierungstechnik beobachtet werden. Der quantenballistische Transport kann mit diesem elektrischen Dotierungsphänomen auf molekularer Ebene beobachtet werden [85]. Unter Verwendung dieses theoretischen Ansatzes wird ein elektrisch dotierter biomolekularer Schalter entworfen, bei dem einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT) als Elektroden verwendet werden [86]. NEGF-Formalismen helfen beim Design einer auf Graphen basierenden Anti-Dot-Resonanztunneldiode [87]. Atomistische Eigenschaften von zweidimensionalen Silizium-p-n-Übergängen wurden mit dem First-Principle-Ansatz nachgewiesen [88]. Dioden und Transistoren sind die Grundbausteine ​​jeder elektronischen Schaltung. Logikgatter können auch unter Verwendung von Dioden und Transistoren implementiert werden. Daher kann jede Logik unter Verwendung von First-Principle-Formalismen implementiert werden.

Im jüngsten Trend der Nanotechnologie interessierten sich Forscher dafür, die verschiedenen elektromechanischen Eigenschaften von bioinspirierten und Halbleiterbauelementen auf atomarer Ebene zu entwerfen und zu charakterisieren. Diese bioinspirierten Geräte sind hoch biokompatibel und schlagen eine Brücke zwischen dem Halbleiterbereich und dem Bereich der bimolekularen Forschung. Die CMOS-Technologie ist bereits gesättigt. Ziel der Forscher ist es daher, diese zu ersetzen und eine Brücke zu schlagen. Die Forscher haben bereits mehrere Vorschläge gemacht, die CMOS-Technologie mit bioinspirierter Technologie wie DNA oder anderen Biomolekülen zu verbinden. Die wichtigsten Bestandteile der DNA sind Adenin-, Thymin-, Cytosin- und Guanin-Stickstoffbasen. Diese Stickstoffbasen haben Verbundstoffe mit Ribose-Zucker- und Phosphatgruppen gebildet, um Oligonukleotide zu bilden. Dieses Oligonukleotid besitzt Phosphatgruppen als Rückgrat. Korrelationen für dynamische Signale wurden zur Identifizierung von Biomolekülen und DNA verbessert [89]. DNA-Translokation, elektronische Transmission und semiempirische Modellierung durch Graphen-Nanopore können auch theoretisch mit DFT und NEGF ermöglicht werden [90,91,92,93]. Die DNA-Analyse kann auch mit Graphen-Elektroden durch semiempirische Modellierung ermöglicht werden [94]. Auch die Erkennung von Nukleinsäure-Basenpaaren anhand transversaler Transporteigenschaften wurde ermöglicht [95]. Leitfähigkeit durch Schuss-DNA wurde auch von der Forschergruppe vorgeschlagen [96]. Elektronische Verstärkung durch Dotierungsverfahren an den DNA-Basenpaaren wurde ebenfalls eingebaut, um die Leitfähigkeit zu erhöhen [97]. Die elektronische Förderung war auch durch das Doppelprotonentransferverfahren möglich [98]. Die Erkennung von Nukleotiden durch die Cross-Tunneling-Methode war auch nach dem First-Principle-Ansatz möglich [99]. Strukturelle Faktoren steuern die Leitfähigkeit der DNA, was auch in [100] diskutiert wurde. Die nanoskaligen Geräte zeigen ein enormes Quantentransportphänomen für verschiedene Typen der nanoskaligen Gerätemodellierung [56, 58, 59, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107]. Diese Bauelemente umfassen FETs, Dioden und optische Schalter [60, 68, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116]. Diese vorgeschlagene Arbeit ist ein Ansatz, um mit der III-V-Halbleitertechnologie eine Brücke zwischen den Biomolekülen zu schlagen. Die Heterostruktur von Biomolekülen und III–V-nanokristallinen Materialien kann auch mit dem theoretischen Ansatz des ersten Prinzips entworfen werden. Darüber hinaus werden elektrische und optische Eigenschaften von mit Stickstoff und Gold kodotiertem Graphen unter Verwendung von First-Principle-Formalismen untersucht. Der First-Principle-Formalismus wird verwendet, um die Änderung quantenmechanischer Eigenschaften und die Untersuchung verschiedener elektronischer oder optischer Eigenschaften sowohl organischer als auch anorganischer Moleküle zu untersuchen. Es kann auch eine Untersuchung für leerstellendefektes Graphen und Mn-dotiertes Graphen in Richtung H₂ . durchgeführt werden S-Absorption. Ferromagnetismusuntersuchungen mit dem First-Principle-Ansatz für übergangsmetalldotierte AlN-Monoschichten sind ebenfalls ein aufkommender Trend. Dotierungseffekt wird für Monolayer-MoS₂ . untersucht Die Verwendung von DFT für sichtbares Licht ist ein wichtiges Diskussionsthema. 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 O₃ thin films was investigated. It was observed that this doping concentration influenced the surface sensitivity [138].

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

The wavelength of the devices reduces

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

Schlussfolgerung

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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

All the data and material are available in the manuscript.

Abkürzungen

DFT:

Dichtefunktionaltheorie

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:

Carbon nanotube

I–V:

Strom–Spannung

QCA:

Quantum cellular automata

YN₂ :

Yttrium nitrite

ATK-SE:

Atomistix Tool Kit-Semi-empirical