¿Se pueden utilizar materiales monocristalinos para el diseño de uniones p-n de baja dimensión? Este es un problema abierto y de larga data. Las simulaciones microscópicas basadas en el teorema de Bloch generalizado muestran que en nanocables monocristalinos de Si, un giro axial puede conducir a la separación de los dopantes de tipo py de tipo n a lo largo de la dimensión radial del nanoalambre, y así se da cuenta de la unión p-n. Un análisis orbital de enlace revela que esto se debe a la deformación por cizallamiento no homogénea inducida por la torsión en el nanoalambre.

Si un cristal semiconductor está dopado con dopantes de tipo n en una región y con dopantes de tipo p en otra región, Se forma una configuración de unión p-n. Las uniones P-n son unidades de construcción fundamentales de diodos emisores de luz, células solares y otros transistores semiconductores. También se espera que las uniones P-n en nanoestructuras sean las unidades fundamentales de los nanodispositivos de próxima generación. Sin embargo, debido a la fuerte atracción entre ellos, Los dopantes de tipo n y los dopantes de tipo p tienden a formar pares neutrales. Como resultado, la unión p-n falla. Para evitar dicha atracción entre los dopantes de tipo n y los dopantes de tipo p, se introducen heteroestructuras, donde un material semiconductor está dopado con dopantes de tipo n mientras que el otro está dopado con dopantes de tipo p, y la interfaz entre dos materiales semiconductores diferentes actúa como una barrera de energía entre los dopantes de tipo n y los dopantes de tipo p. En efecto, el uso de heteroestructuras representa un paradigma para el diseño de materiales de la unión p-n. Recientemente, También son posibles configuraciones de unión p-n similares para heteroestructuras de nanocables tales como nanocables coaxiales núcleo-capa. Sin embargo, Existen varias limitaciones en las heteroestructuras de nanocables. Por ejemplo, la síntesis de nanocables núcleo-capa generalmente implica un proceso de dos pasos, lo que cuesta un gasto extra. A menudo, la capa de la heteroestructura de nanoalambres obtenida es policristalina. Tal imperfección va mal con los transportes de los transportistas. Es más, la interfaz entre el núcleo y la carcasa también introduce centros profundos perjudiciales que dificultan en gran medida la eficiencia del dispositivo.

¿Podemos hacer uniones p-n con nanocables monocristalinos? Francamente, la respuesta será "No" si uno piensa el problema de manera intuitiva. En efecto, similar al grueso, Los dopantes de tipo p y los dopantes de tipo n en un nanoalambre monocristalino codopado también sienten una fuerte atracción de Coulomb. Sin una interfaz, ¿Cómo podemos superar tal atracción? Requiere una modulación / control efectivo de los sitios de ocupación espacial, es decir., Distribución espacial, de dopantes. De hecho, Este es uno de los problemas fundamentales y de larga data relacionados con el dopaje en semiconductores. Desde el punto de vista de la ingeniería de materiales, esto se puede atribuir al fracaso de enfoques convencionales como hidrostático, tensiones biaxiales y uniaxiales sobre la modulación de la distribución espacial de los dopantes. Sin embargo, dado que todas estas distorsiones mencionadas son uniformes, ¿Podemos emplear algunos no homogéneos, como torcer? De hecho, La torsión de estructuras representa un foco de investigación reciente de física de materia condensada en dimensiones bajas.

En un nuevo artículo publicado en Revista Nacional de Ciencias , un equipo de científicos de la Universidad Normal de Beijing, la Universidad Chinse de Hong Kong, y el Centro de Investigación de Ciencias Computacionales de Beijing presentan sus avances teóricos del nanoalambre de Si codopado bajo torsión. Emplean simulaciones microscópicas basadas en el teorema de Bloch generalizado y modelos analíticos basados ​​en la teoría del orbital de enlace para realizar el estudio y entregar la física subyacente.

Curiosamente, la torsión tiene un impacto sustancial en la distribución de dopantes en nanocables. De la figura mostrada, en un nanoalambre de Si retorcido, un dopante de mayor tamaño atómico (como Sb) tiene una energía de formación más baja si ocupa un sitio atómico más cercano a la superficie del nanoalambre; Por otro lado, un dopante de tamaño atómico más pequeño (como B) tiene una energía de formación más baja si ocupa un sitio atómico alrededor del núcleo del nanoalambre. Según sus cálculos, es posible separar los dopantes de tipo ny de tipo p en el nanoalambre codopado con las opciones adecuadas de pares de codopaje, p.ej., B y Sb. Un análisis orbital de enlace revela que es la deformación por cizallamiento no homogénea inducida por torsión a lo largo de la dimensión radial del nanocable la que impulsa la modulación efectiva. Estos hallazgos están totalmente respaldados por simulaciones generalizadas del teorema de Bloch basadas en la unión estrecha de función de densidad.

Esta nueva estrategia simplifica en gran medida el proceso de fabricación y reduce los costes de fabricación. Si la torsión se aplica cuando el dispositivo está en modo de trabajo, la recombinación de diferentes tipos de dopantes se suprime en gran medida. Incluso si la torsión se elimina cuando el dispositivo está en modo de funcionamiento, debido a la difusión limitada, la recombinación sigue siendo difícil.