Kunnen monokristallijne materialen worden gebruikt voor het ontwerpen van pn-overgangen met een lage dimensie? Dit is een open en al lang bestaand probleem. Microscopische simulaties op basis van de algemene stelling van Bloch laten zien dat in enkelkristallijne Si-nanodraden, een axiale draaiing kan leiden tot de scheiding van p-type en n-type doteerstoffen langs de radiale dimensie van de nanodraad, en realiseert zo de pn-overgang. Een orbitale bindingsanalyse laat zien dat dit te wijten is aan de twist-geïnduceerde inhomogene schuifspanning in de nanodraad.

Als een halfgeleiderkristal is gedoteerd met n-type doteringen in het ene gebied en met p-type doteringen in een ander gebied, een pn-overgangsconfiguratie wordt gevormd. Pn-overgangen zijn fundamentele bouweenheden van lichtemitterende diodes, zonnecellen en andere halfgeleidertransistoren. Pn-overgangen in nanostructuren zullen naar verwachting ook de fundamentele eenheden zijn van nano-apparaten van de volgende generatie. Echter, vanwege de sterke aantrekkingskracht tussen hen, Doteerstoffen van het n-type en doteerstoffen van het p-type hebben de neiging om neutrale paren te vormen. Als resultaat, de pn-overgang faalt. Om een ​​dergelijke aantrekking tussen n-type doteerstoffen en p-type doteerstoffen te voorkomen, heterostructuren worden geïntroduceerd, waarbij het ene halfgeleidermateriaal is gedoteerd met n-type doteringen, terwijl het andere is gedoteerd met p-type doteringen, en het grensvlak tussen twee verschillende halfgeleidermaterialen fungeert als een energiebarrière tussen n-type doteerstoffen en p-type doteerstoffen. Inderdaad, het gebruik van heterostructuren staat voor een paradigma voor het materiaalontwerp van pn-overgangen. Onlangs, vergelijkbare pn-junctieconfiguraties zijn ook mogelijk voor nanodraadheterostructuren zoals coaxiale kern-schil nanodraden. Echter, er zijn verschillende beperkingen in nanodraadheterostructuren. Bijvoorbeeld, de synthese van core-shell nanodraden omvat meestal een proces in twee stappen, wat extra kosten kost. Vaak is de schaal van de verkregen nanodraadheterostructuur polykristallijn. Dergelijke onvolkomenheid gaat slecht met de transporten van vervoerders. Verder, de interface tussen de kern en de schaal introduceert ook schadelijke diepe centra die de efficiëntie van het apparaat grotendeels belemmeren.

Kunnen we pn-overgangen maken met enkelkristallijne nanodraden? Eerlijk gezegd, het antwoord zal "Nee" zijn als men het probleem intuïtief denkt. Inderdaad, vergelijkbaar met de massa, p-type doteermiddelen en n-type doteermiddelen in een gecodeerde enkelkristallijne nanodraad voelen ook een sterke Coulomb-aantrekkingskracht. Zonder interface, hoe kunnen we zo'n aantrekkingskracht overwinnen? Het vereist een effectieve modulatie/controle van de ruimtelijke bezettingssites, d.w.z., ruimtelijke verdeling, van doteringen. In feite, dit is een van de al lang bestaande en fundamentele kwesties met betrekking tot doping in halfgeleiders. Vanuit het oogpunt van materiaalkunde, dit kan worden toegeschreven aan het falen van conventionele benaderingen zoals hydrostatische, biaxiale en uniaxiale spanningen op de modulatie van de ruimtelijke verdeling van doteermiddelen. Echter, aangezien al deze genoemde verstoringen uniform zijn, kunnen we een aantal inhomogene gebruiken, zoals draaien? In feite, verdraaien van structuren vertegenwoordigt een focus van recent onderzoek naar gecondenseerde materie in lage dimensies.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Nationale wetenschappelijke recensie , een team van wetenschappers van de Beijing Normal University, de Chinese Universiteit van Hong Kong, en Beijing Computational Science Research Center presenteren hun theoretische vooruitgang van gecodopeerde Si-nanodraad onder draaien. Ze gebruiken zowel microscopische simulaties op basis van de algemene stelling van Bloch als analytische modellering op basis van de orbitaaltheorie om het onderzoek uit te voeren en de achterliggende fysica te leveren.

interessant, draaien heeft een aanzienlijke invloed op de distributie van doteerstoffen in nanodraden. Uit de weergegeven figuur, in een gedraaide Si-nanodraad, een doteerstof met een grotere atoomgrootte (zoals Sb) heeft een lagere vormingsenergie als het een atomaire plaats inneemt die dichter bij het nanodraadoppervlak ligt; Aan de andere kant, een doteringsmiddel met een kleinere atoomgrootte (zoals B) heeft een lagere vormingsenergie als het een atoomplaats rond de nanodraadkern inneemt. Volgens hun berekeningen het is mogelijk om n-type en p-type doteringen in de gecodopeerde nanodraad te scheiden met de juiste keuzes van codoping-paren, bijv. B en Sb. Een orbitale bindingsanalyse laat zien dat het de twist-geïnduceerde inhomogene schuifspanning langs de radiale dimensie van nanodraad is die de effectieve modulatie aandrijft. Deze bevindingen worden volledig ondersteund door op dichtheidsfunctionele op strakke binding gebaseerde gegeneraliseerde Bloch-stellingsimulaties.

Deze nieuwe strategie vereenvoudigt het fabricageproces grotendeels en verlaagt de fabricagekosten. Als het draaien wordt toegepast wanneer het apparaat in de werkmodus staat, de recombinatie van verschillende soorten doteermiddelen wordt grotendeels onderdrukt. Zelfs als de verdraaiing wordt verwijderd wanneer het apparaat in de werkmodus staat, door de beperkte verspreiding, de recombinatie is nog steeds moeilijk.