I materiali monocristallini possono essere utilizzati per la progettazione di giunzioni p-n a bassa dimensione? Questo è un problema aperto e di vecchia data. Simulazioni microscopiche basate sul teorema di Bloch generalizzato mostrano che nei nanofili di silicio monocristallino, una torsione assiale può portare alla separazione di droganti di tipo p e di tipo n lungo la dimensione radiale del nanofilo, e realizza così la giunzione p-n. Un'analisi dell'orbitale di legame rivela che ciò è dovuto alla deformazione di taglio disomogenea indotta dalla torsione nel nanofilo.

Se un cristallo semiconduttore viene drogato con droganti di tipo n in una regione e con droganti di tipo p in un'altra regione, si forma una configurazione di giunzione p-n. Le giunzioni P-n sono unità costruttive fondamentali dei diodi emettitori di luce, celle solari e altri transistor a semiconduttore. Si prevede inoltre che le giunzioni P-n nelle nanostrutture saranno le unità fondamentali dei nanodispositivi di prossima generazione. Però, a causa della forte attrazione tra di loro, I droganti di tipo n e i droganti di tipo p tendono a formare coppie neutre. Di conseguenza, la giunzione p-n fallisce. Per prevenire tale attrazione tra droganti di tipo n e droganti di tipo p, vengono introdotte eterostrutture, dove un materiale semiconduttore è drogato con droganti di tipo n mentre l'altro è drogato con droganti di tipo p, e l'interfaccia tra due diversi materiali semiconduttori funge da barriera energetica tra droganti di tipo n e droganti di tipo p. Infatti, l'uso di eterostrutture rappresenta un paradigma per la progettazione materiale della giunzione p-n. Recentemente, simili configurazioni di giunzione p-n sono possibili anche per eterostrutture di nanofili come i nanofili core-shell coassiali. Però, ci sono diverse limitazioni nelle eterostrutture di nanofili. Per esempio, la sintesi dei nanofili core-shell di solito comporta un processo in due fasi, che costa spese extra. Spesso il guscio dell'eterostruttura del nanofilo ottenuto è policristallino. Tale imperfezione va a scapito dei trasporti dei vettori. Per di più, l'interfaccia tra il core e il guscio introduce anche dannosi centri profondi che ostacolano in gran parte l'efficienza del dispositivo.

Possiamo realizzare giunzioni p-n con nanofili monocristallini? Francamente, la risposta sarà "No" se si pensa al problema in modo intuitivo. Infatti, simile alla massa, Anche i droganti di tipo p e i droganti di tipo n in un nanofilo monocristallino codopato sentono una forte attrazione di Coulomb. Senza interfaccia, come possiamo superare tale attrazione? Richiede un'efficace modulazione/controllo dei siti di occupazione spaziale, cioè., distribuzione spaziale, di droganti. Infatti, questa è una delle questioni di vecchia data e fondamentali riguardanti il ​​doping nei semiconduttori. Dal punto di vista dell'ingegneria dei materiali, questo può essere attribuito al fallimento di approcci convenzionali come idrostatico, sollecitazioni biassiali e uniassiali sulla modulazione della distribuzione spaziale dei droganti. Però, poiché tutte queste distorsioni menzionate sono uniformi, possiamo impiegarne di disomogenei, come torsione? Infatti, la torsione delle strutture rappresenta un fulcro della recente ricerca di fisica della materia condensata a basse dimensioni.

In un nuovo articolo pubblicato su Rassegna scientifica nazionale , un team di scienziati dell'Università Normale di Pechino, la Chinse University di Hong Kong, e il Centro di ricerca sulla scienza computazionale di Pechino presentano i loro progressi teorici sul nanofilo di silicio codificato sotto torsione. Impiegano sia simulazioni microscopiche basate sul teorema di Bloch generalizzato che modelli analitici basati sulla teoria dell'orbitale di legame per condurre lo studio e fornire la fisica alla base.

interessante, la torsione ha un impatto sostanziale sulla distribuzione dei droganti nei nanofili. Dalla figura visualizzata, in un nanofilo di silicio attorcigliato, un drogante di dimensioni atomiche maggiori (come Sb) ha un'energia di formazione inferiore se occupa un sito atomico più vicino alla superficie del nanofilo; Al contrario, un drogante di dimensioni atomiche più piccole (come B) ha un'energia di formazione inferiore se occupa un sito atomico attorno al nucleo del nanofilo. Secondo i loro calcoli, è possibile separare droganti di tipo n e di tipo p nel nanofilo codopato con scelte appropriate di coppie di codoping, per esempio., B e Sb. Un'analisi dell'orbitale del legame rivela che è la deformazione di taglio disomogenea indotta dalla torsione lungo la dimensione radiale del nanofilo che guida la modulazione effettiva. Questi risultati sono pienamente supportati da simulazioni del teorema di Bloch generalizzato basate sul legame stretto-funzionale.

Questa nuova strategia semplifica notevolmente il processo di fabbricazione e riduce i costi di fabbricazione. Se la torsione viene applicata quando il dispositivo è in modalità di lavoro, la ricombinazione di diversi tipi di droganti è in gran parte soppressa. Anche se la torsione viene rimossa quando il dispositivo è in modalità di lavoro, a causa della limitata diffusione, la ricombinazione è ancora difficile.