Perangkat Nano yang Didoping Secara Elektrik Menggunakan Pendekatan Prinsip Pertama:Survei Komprehensif
Abstrak
Doping adalah fitur utama dalam fabrikasi perangkat semikonduktor. Banyak strategi telah ditemukan untuk mengendalikan doping di bidang fisika semikonduktor selama beberapa dekade terakhir. Doping listrik adalah strategi yang menjanjikan yang digunakan untuk penyetelan efektif populasi muatan, sifat elektronik, dan sifat transmisi. Proses doping ini mengurangi risiko suhu tinggi, kontaminasi partikel asing. Upaya eksperimental dan teoretis yang signifikan ditunjukkan untuk mempelajari karakteristik doping listrik selama beberapa dekade terakhir. Pada artikel ini, pertama-tama kami meninjau secara singkat peta jalan sejarah doping listrik. Kedua, kita akan membahas doping listrik di tingkat molekuler. Dengan demikian, kami akan meninjau beberapa karya eksperimental di tingkat molekuler bersama dengan kami meninjau berbagai karya penelitian yang dilakukan berdasarkan doping listrik. Kemudian kami mencari tahu pentingnya doping listrik dan pentingnya. Selanjutnya, kami menjelaskan metode doping listrik. Akhirnya, kami menyimpulkan dengan studi perbandingan singkat antara metode doping listrik dan konvensional.
Pengantar
Doping memainkan peran penting dalam menentukan karakteristik fisik dan aplikasinya dari berbagai bahan organik atau anorganik, terutama untuk semikonduktor. Metode ini telah berhasil dibuktikan untuk industri fisika semikonduktor. Sejumlah kecil penambahan pengotor menentukan konsentrasi dopan dan konduktivitas listrik bahan. Diamati bahwa dopan yang ideal harus menunjukkan kelarutan yang ideal dalam bahan inangnya, dan juga menunjukkan tingkat cacat yang rendah. Namun, beberapa masalah mendasar terkait dengan jenis proses doping konvensional ini, misalnya, kemacetan doping yang sangat mempengaruhi kinerja perangkat. Jenis penurunan kinerja ini telah diamati secara parah untuk material celah pita lebar.
Misalnya, dalam kasus minima perangkat pita konduksi tinggi, doping tipe-n menantang, sedangkan untuk maksima perangkat pita valensi rendah juga rumit [1, 2]. Oleh karena itu, beberapa masalah muncul untuk proses doping bipolar pada semikonduktor pita lebar. Diamati bahwa dopan tipe-p atau tipe-n dapat dimasukkan tetapi tidak bersama-sama [3]. Oleh karena itu, untuk mengimbangi jenis masalah ini, solusi yang layak telah dimasukkan ke dalam domain doping. Jenis pendekatan yang diusulkan ini dikenal sebagai doping listrik, yang tidak bergantung pada jenis doping bipolar ini. Doping listrik telah diperkenalkan untuk memecahkan masalah doping bipolar. Pada akhir 1980-an dan 1990-an, para peneliti mengamati bahwa senyawa III-V seperti kristal tunggal GaN sulit untuk tumbuh. Terlebih lagi, untuk penggunaan komersial substrat GaN juga tidak tersedia di era akhir 1990-an. Alasan di baliknya dijelaskan sedemikian rupa sehingga perbedaan antara konstanta kisi dan koefisien ekspansi termal substrat safir dan semikonduktor GaN membuat sulit untuk menumbuhkan lapisan epitaksial berbasis GaN berkualitas tinggi pada substrat safir. Di sisi lain, hampir tidak mungkin untuk mendapatkan semikonduktor GaN tipe-p karena kombinasi konsentrasi latar belakang tipe-n yang tinggi dan aktivitas doping tipe-p yang rendah. Masalah ini dapat diatasi secara signifikan dengan menggunakan fenomena doping listrik oleh Rudaz pada tahun 1998. Selama akhir 1980-an, para ilmuwan menemukan pentingnya menumbuhkan lapisan penyangga GaN atau AlN untuk mendemonstrasikan LED berbasis GaN pada suhu rendah. Proses anil termal pasca-pertumbuhan membantu mengaktifkan pertumbuhan dopan tipe-p di lapisan penyangga GaN. Kemajuan ini mempercepat pertumbuhan pengembangan perangkat sistem bahan semikonduktor nitrida III-V untuk perangkat optoelektronik pita lebar [4]. Substrat GaN dan proses annealing termal pasca-pertumbuhan juga memainkan peran penting dalam teknik ini [5,6,7]. Sejak beberapa dekade terakhir, teknologi plasma etching memainkan peran penting dalam ultra-large-scale technology (ULSI) untuk mengecilkan ukuran pola. Hal ini membawa kita pada evolusi nanoteknologi. Pada saat yang sama, teknologi plasma menghadapi beberapa masalah yang melekat misalnya; penumpukan muatan, radiasi foton UV bersama dengan kinerja etsa untuk perangkat skala nano. Untuk menghilangkan masalah ini dan membuat perangkat skala nano praktis, proses etsa sinar netral telah dilakukan di lapangan. S. Samukawa telah memperkenalkan sumber sinar netral ini dan juga berbicara tentang kombinasi pemrosesan top-down dan bottom-up untuk perangkat skala nano prospek. Teknologi sinar netral dieksekusi tanpa kerusakan karena digunakan secara atom. Dengan menggunakan teknik ini modifikasi permukaan bahan anorganik dan organik juga dapat dilakukan. Teknik ini merupakan pesaing yang mampu untuk teknologi fabrikasi praktis untuk perangkat nano masa depan [8]. Teknologi plasma densitas tinggi ini mencakup plasma berpasangan induktif (ICP) dan plasma elektron-siklotron-resonansi (ECR), yang merupakan metode kunci untuk implementasi teknik plasma ini. Namun ada beberapa masalah yang terkait dengan teknik ini, seperti
Berbagai jenis radiasi dapat merusak penumpukan muatan ion positif dan elektron [8,9,10,11,12].
Radiasi ultraviolet (UV), sinar ultraviolet vakum (VUV) juga dapat merusak perangkat berskala nano.
Foton sinar-X juga dapat menyebabkan pecahnya perangkat skala nano selama masalah etsa plasma ini [13,14,15,16,17,18,19,20,21].
Karena penumpukan muatan karena pembangkitan tegangan mendistorsi lintasan ion, hal itu juga menyebabkan keretakan film oksida gerbang tipis.
Selain itu, foton UV atau VUV yang terpancar dari teknik etsa plasma densitas tinggi menyebabkan cacat kristal.
Masalah-masalah ini sangat menurunkan sifat listrik perangkat skala nano. Oleh karena itu, masalah ini dapat dihindari dengan menggunakan sistem etsa berkas netral berkinerja tinggi. S. Samukawa dan kelompoknya telah menemukan sumber sinar netral yang sangat efisien untuk mewujudkan etsa top-down terbaik untuk perangkat skala nano di masa depan. Mereka memperkenalkan proses etsa terbaik untuk perangkat skala nano masa depan dari 50 nm hingga sub-10 nm dalam menggunakan sumber sinar netral baru kami.
Oleh karena itu, surat ini disusun sebagai berikut. Pertama, peta jalan sejarah doping listrik ditinjau secara singkat. Setelah itu, kami akan meninjau beberapa pekerjaan eksperimental di tingkat molekuler karena proses doping ini juga berdampak pada tingkat molekuler. Kemudian, kami memberikan diskusi singkat tentang berbagai karya penelitian yang terkait dengan proses doping listrik. Beberapa pentingnya doping listrik dijelaskan pada bagian berikut. Selanjutnya, kami menjelaskan metode proses doping listrik. Terakhir, akan kami tutup dengan pembahasan singkat tentang studi banding antara doping konvensional dan doping elektrik.
Peta Jalan Sejarah Doping Listrik
Meskipun penelitian ini sebagian besar berkonsentrasi pada doping listrik pada tingkat molekuler, penting untuk terlebih dahulu meninjau sejarah awal doping konvensional. Pada tahun 1930, diketahui bahwa konduktivitas semikonduktor terpengaruh karena adanya sedikit pengotor [2, 22, 23]. Pada tahun 1931, formalisme mekanika kuantum pertama digunakan untuk bahan semikonduktor [24]. Prototipe persimpangan p-n berhasil didemonstrasikan oleh Davydov pada tahun 1938 [25, 26]. Artikel ini menjelaskan pentingnya pembawa minoritas. Woodyard memperkenalkan konsep "doping." Dia memasukkan sebagian kecil fosfor, arsenik atau antimon ke dalam germanium murni. Penambahan pengotor ini meningkatkan sifat listrik germanium [27]. Shockley mengusulkan penemuan historisnya, yaitu "transistor persimpangan" pada tahun 1949. Penemuan ini mengubah geometri industri semikonduktor [28]. Meskipun penemuan persimpangan bipolar membuat tsunami untuk evolusi dalam industri semikonduktor, itu memiliki beberapa masalah yang juga terkait dengan transistor. Sebagai contoh, dua lapisan p–n harus disambungkan ke belakang dalam ruang yang tipis. Masalah ini telah dihapus setelah penemuan "transistor persimpangan tumbuh" di laboratorium Bell pada tahun 1950 menggunakan metode doping ganda [29, 30]. Dalam kasus proses “doping ganda”, sejumput galium ditambahkan ke dalam germanium tipe-n cair, yang mengubah germanium menjadi tipe-p. Setelah itu, sejumput antimon dimasukkan ke dalamnya yang mengubahnya menjadi tipe-p kembali ke tipe-n [31]. Dua jenis dopan ditambahkan secara berurutan dalam proses ini. Ada jenis doping lain yang dikembangkan pada awal 1950-an, yang dikenal sebagai “co-doping.” Persimpangan p dan n dianggap sebagai "co-doping" semikonduktor. Doping pada tingkat molekuler juga merupakan bagian penting dari doping listrik. Pada tahun 1998, Rudaz mengusulkan metode untuk memaksimalkan efek doping listrik dengan mengurangi retak material untuk semikonduktor III-V [4]. Pada tahun 2002, Zhou et al. mendemonstrasikan dioda pemancar cahaya organik transparan yang didepositkan vakum yang juga merupakan perangkat bertegangan rendah dengan menggunakan proses doping listrik. Doping listrik memainkan peran penting untuk meningkatkan kinerja perangkat organik. Injeksi pembawa yang didoping secara elektrik terjadi untuk LED organik (OLED). Lapisan transpor menunjukkan tegangan penggerak yang rendah, yang umumnya disebabkan oleh anion radikal, kation dan kontak ohmik di ujung antarmuka elektroda. OLED tegangan ultra-rendah didepositkan secara vakum dengan 2,6 V untuk 100 cd/m
2
dalam struktur p-i-n. Oleh karena itu, emisi intrinsik terjepit di antara lapisan transport celah pita lebar tipe p dan n. Kegiatan yang berkaitan dengan doping listrik dalam film molekul organik ditekankan dalam beberapa penelitian [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].
Ini adalah salah satu prosedur untuk menghindari proses bombardir ion dalam pendekatan perancangan perangkat skala atom. Gao dan Kahn [43] telah mendemonstrasikan proses ini pada film tipis molekuler. Senyawa-senyawa tersebut misalnya polimer polikarbonat dengan lapisan transpor lubang tris(4-bromofenil)aminium heksakloroantimonat (TBAHA) 4,4′,4″-tris(3-metilfenilfenilamino)-trifenilamina (m-MTDATA) p yang didoping dengan F4-TCNQ digunakan untuk berhasil membuat berbagai lapisan perangkat senyawa OLED [45, 46]. Proses ini juga telah digunakan dalam sel fotovoltaik organik (OPVC). Proses ini juga telah digunakan untuk penyetelan pada tingkat molekuler dan juga untuk meningkatkan peningkatan efisiensi perangkat dengan injeksi pembawa. Konduktivitas film molekuler meningkat sebagian besar untuk doping tipe-n dan p dengan menggunakan proses ini. Proses doping ini banyak digunakan untuk kontak ohmik pada semikonduktor anorganik [43,44,45,46]. Saat ini, LED organik menyimpan rekaman yang efektif di bidang nanoteknologi molekuler. Dalam semikonduktor III–V, dengan menggunakan proses doping ini, kontak tipe-n dan penyisipan molekul eksternal tipe-n dapat dimungkinkan. Doping listrik juga membantu memungkinkan fenomena seperti hambatan listrik, penyisipan pembawa, rekombinasi pembawa ke dalam lapisan antarmuka molekuler. Sel fotovoltaik organik (OPVC) adalah salah satu aplikasi yang paling relevan dari fenomena doping listrik. Dalam proses penyelarasan level untuk OPVC, proses ini bekerja pada konduktivitas sel-sel ini. Penyisipan pembawa muatan akhirnya ditingkatkan dengan metode ini. Dalam kasus antarmuka meta-organik, metode ini dimulai dan membawa ke susunan lapisan penipisan di mana transmisi tunneling kuantum dapat terjadi. Ini adalah salah satu proses efisien yang dapat digunakan secara efektif untuk fabrikasi kontak organik dan anorganik. Proses ini juga membantu untuk menggeser tingkat netralitas muatan untuk film tipis molekuler. Selain itu, sekitar 0,1 hingga 1% molekul asing dapat dimasukkan menggunakan metode ini ke antarmuka molekuler. Jumlah konsentrasi doping ini merupakan jumlah yang besar untuk metode doping konvensional. Tingkat konsentrasi doping ini membantu menghasilkan semikonduktor yang terdegenerasi. Konsentrasi doping yang tinggi ini membantu untuk mencegah pembentukan selanjutnya dari band yang diinduksi melakukan [34, 43,44,45,46].
Proses Doping Listrik dan Pentingnya
Teknik utama dan terpenting yang dipilih untuk metode doping listrik adalah mengontrol tingkat Fermi menggunakan proses ini. Oleh karena itu, teknik ini sangat populer di kalangan semikonduktor anorganik dan organik selama beberapa dekade terakhir. Doping listrik dalam beberapa tahun terakhir telah menarik perhatian khusus di bidang nanoteknologi bioinspired. Doping listrik adalah proses penyisipan muatan elektronik atau penerimaannya ke film molekuler. Fitur utama dari proses ini adalah bahwa doping n dan p konvensional tidak dapat dibatasi untuk mencapai bipolaritas. Proses ionisasi konvensional tidak diterapkan untuk jenis proses doping listrik [43,44,45,46]. Prosedur doping listrik telah diperkenalkan untuk menghindari bombardir ion, yang umumnya tidak mungkin dilakukan untuk pemodelan perangkat skala nano.
Metode doping ini ditentukan terutama dalam dua langkah:
Langkah pertama melibatkan transfer elektron tunggal dari donor ke akseptor (menjadi molekul).
Kedua, diasosiasikan dengan metode disosiasi kompleks transfer muatan bilangan bulat keadaan dasar.
Dengan demikian, dipastikan bahwa doping listrik tidak lain adalah pergeseran tingkat Fermi baik menuju tingkat molekul (pita valensi) tertinggi atau keadaan molekul kosong (pita konduksi) terendah. Jika operator gratis ρ , TA
−
adalah kerapatan dopan terionisasi, NA adalah konsentrasi dopan netral, maka kerapatan pembawa bebas harus dirumuskan seperti pada Persamaan. (1). Dalam persamaan ini, EA dan EB adalah akseptor dan energi tingkat Fermi dan KB adalah konstanta Boltzmann pada suhu mutlak T [124].
Teknik doping ini telah dilakukan dengan menggunakan teknik desain dua probe di Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). Jumlah perangkat atomistik bioinspired terletak di jantung nanoteknologi. Perangkat ini beroperasi pada frekuensi THz ultra-tinggi. Frekuensi yang dihitung untuk perangkat ini adalah sekitar THz. Misalnya dalam sebuah artikel, di mana karakteristik transportasi untuk persimpangan terowongan semikonduktor GaAs-Adenine-GaAs diilustrasikan. Dalam artikel tersebut frekuensi operasi dilaporkan sekitar 25THz [125].
Doping adalah induksi yang disengaja dari pengotor eksternal ke dalam bahan semikonduktor murni untuk alasan peningkatan kinerja listrik. Pentingnya proses doping listrik dapat digambarkan sebagai berikut.
Prosedur doping elektrik ini berbeda dengan proses doping konvensional. Dalam kasus proses doping konvensional, bahan semikonduktor didoping dengan dopan atau pengotor ekstrinsik. Proses ini adalah proses suhu tinggi. Ada kemungkinan pemutusan ikatan yang mungkin terjadi selama proses doping suhu tinggi ini. Metode ionisasi juga diadopsi untuk menerapkan metode doping ini. Di sisi lain, proses doping listrik tidak berhubungan dengan kotoran sama sekali. Seperti dalam prosedur ini, muatan potensial yang berlawanan diinduksi pada kedua ujung perangkat. Oleh karena itu, ini akan menghasilkan penurunan potensial di wilayah molekuler pusat perangkat nano. Metode ini cukup membantu untuk merancang perangkat nano karena metode ionisasi dapat menghasilkan deformasi struktural untuk bahan nano. Dalam kasus doping konvensional, beberapa masalah mungkin muncul. Beberapa masalah utama tercantum dalam Tabel 1. Perbedaan antara doping konvensional dan listrik dibingkai dalam Tabel 1, dan juga membantu untuk memahami bagaimana doping listrik penting untuk fabrikasi perangkat skala nano.
Tabel 1 ini menunjukkan mengapa doping listrik penting untuk tingkat molekuler. Doping ini menghindari pembentukan panas, reaksi interatomik atau antarmolekul dan juga kompatibel untuk segala jenis prosedur perancangan perangkat skala nano.
Pada artikel ini, proses doping listrik terutama disorot. Metode doping ini berguna untuk fabrikasi perangkat skala nano terutama preparasi film tipis molekuler. Dalam metode ini penyisipan pembawa muatan terjadi di kedua ujung perangkat molekuler. Proses ini juga digambarkan pada Gbr. 1. Diagram ini menunjukkan metode doping listrik sederhana. Gambar ini juga menunjukkan bagaimana penurunan potensial telah dibuat karena penyisipan dua penyisipan pembawa muatan yang sama tetapi berlawanan pada dua terminal elektroda. Elektroda ini adalah bagian penting dari perangkat molekuler. Penyisipan muatan dapat dilakukan melalui elektroda ini. Muatan yang sama dan berlawanan ini menciptakan penurunan potensial dalam wilayah molekul pusat. Penurunan potensial ini bertindak sebagai kekuatan pendorong konduksi muatan antara dua elektroda, yaitu melalui bagian molekul pusat. Ini adalah proses sebenarnya dari doping listrik. Meskipun proses ini saat ini digunakan dalam pemodelan analitis atau teoritis perangkat skala nano terutama, juga berguna untuk preparasi film tipis molekul organik dan anorganik.
Diagram skema dari proses doping listrik konseptual
Gambar 1 menunjukkan bagaimana elektron atau pembawa muatan mengalir dari satu elektroda ke arah lain karena penurunan potensial yang terjadi karena variasi bias pada kedua terminal elektroda.
Doping Listrik pada Tingkat Molekuler
Baru-baru ini peneliti tertarik untuk prosedur doping terkontrol. Oleh karena itu, prosedur doping listrik ini membantu memperkenalkan doping terkontrol untuk semikonduktor anorganik. Dengan demikian, akan sangat membantu juga untuk menyetel sifat listrik semikonduktor ini dengan memasukkan doping listrik. Fenomena doping ini membantu menyetel celah optik semikonduktor dengan variasi kimianya. Prosedur doping ini juga merupakan proses berbiaya rendah dan berguna untuk substrat fleksibel.
Prosedur doping listrik adalah metode di mana perbedaan potensial telah dibuat antara kedua ujung perangkat nano. Dalam karya teoretis ini [47,48,49,50,51,52] kami telah mengatur ini dengan memberikan polaritas yang berbeda tetapi tegangan bernilai sama pada kedua ujung perangkat nano melalui elektroda dua probe. Diagram skematik untuk proses teoretis ini ditunjukkan pada Gambar. 2.
Diagram skema proses doping listrik konseptual (menggunakan ATK-VNL)
Pendekatan teoretis ini terlibat untuk menciptakan daerah positif (p+) dan negatif (n+) yang sangat terdoping, yang penting untuk merancang perangkat nanosemikonduktor untuk bahan organik dan anorganik.
Dengan menggunakan prosedur ini, pembawa muatan harus disuntikkan ke dalam antarmuka molekuler. Doping listrik adalah proses terkontrol untuk molekul organik daripada film tipis anorganik. Oleh karena itu, dopan p dan n konvensional tidak wajib untuk dimasukkan. Akhirnya, doping listrik meningkatkan injeksi pembawa dan menurunkan tegangan penggerak yang mengarah pada peningkatan kemanjuran perangkat. Jadi, metode doping listrik hanya bergantung pada injeksi transmisi elektronik atau penerimaan elektron ke molekul inang.
Rantai heterojungsi dibuat dengan biomolekul adenin dan timin yang digunakan untuk merasakan beberapa gas ketika rantai melewati pori nano dari lembaran nano GaAs [47]. Dalam hal ini, doping listrik juga diinduksi pada dua bagian nanosheet ini. Karena induktansi yang efektif, rantai biomolekuler ini menunjukkan kemampuannya untuk merasakan molekul gas asing yang teradsorpsi [47]. Dalam kasus desain perangkat nano juga berurusan dengan adsorpsi molekul. Misalnya, adsorpsi molekul volatil pada suhu 32 °C ke kawat nano ZnO diselidiki [53]. Menggunakan pendekatan prinsip pertama berbasis formalisme DFT dan NEGF, nano-FET dapat dirancang menggunakan berbagai modifikasi struktural. Berbagai sifat dari nano-FET ini juga diamati, misalnya, penilaian skalabilitas, celah orbital molekul terisi tertinggi – terendah orbital molekul kosong (HOMO-LUMO), arus maksimum yang dapat diperoleh, kinerja RF, penyelidikan linieritas [54,55,56, 57,58,59,60,61]. Dioda molekuler berbasis ko-oligomer terkonjugasi dapat dirancang menggunakan formalisme berbasis DFT dan NEGF. Ko-oligomer dihubungkan dengan dua elektroda dan membentuk dioda molekuler. Kesenjangan energi, karakteristik arus-tegangan (I-V), orientasi spasial dianalisis untuk dioda ini [62]. Pendekatan prinsip pertama diterapkan pada struktur nano yang dioptimalkan secara geometris dari tujuh persimpangan berbeda yang berasal dari karbon nanotube (CNT) menggunakan penghubung yang berbeda [63]. Berbagai jenis dioda dapat diimplementasikan menggunakan pendekatan prinsip pertama berbasis rumus DFT dan NEGF. Misalnya, dioda Schottky, dioda molekul tunggal, dioda arus spin, dioda spin bipolar, dioda molekuler di-blok, karakteristik dioda mundur oleh karena itu diimplementasikan menggunakan pendekatan ini [64,65,66,67,68].
Karya Penelitian Tingkat Molekuler Berdasarkan Doping Listrik
Doping listrik pada tingkat molekul memainkan peran penting dalam nanoelektronika. Peneliti sangat tertarik untuk memperkenalkan prosedur doping ini pada prosedur perancangan perangkat skala nano. Efek dari doping ini membantu untuk menghubungkan antara tingkat keselarasan molekul yang berbeda. Proses ini tidak hanya membantu untuk mempelajari tingkat molekul heterojungsi organik tetapi juga dapat diterima untuk bahan anorganik. Doping ini membantu untuk pembentukan antarmuka dengan bantuan dipol dan gerakan setara dalam posisi komparatif antarmuka molekuler. Dengan demikian, proses doping listrik ini dapat diterima untuk penyelarasan antarmuka molekul.
Miniaturisasi perangkat elektronik konvensional adalah bidang penelitian yang paling berkembang saat ini. Ada beberapa pendekatan yang mendorong para peneliti untuk menyelidiki dan mempelajari sifat perangkat skala nano. Salah satu pendekatan yang paling penting adalah untuk merancang dan mensimulasikan struktur nano analitis. Banyak perangkat signifikan dapat dirancang menggunakan prosedur simulasi ini dan menganalisis hasil yang diperoleh [47, 55, 56]. Berdasarkan hasil tersebut, para peneliti dapat memodifikasi berbagai parameter simulasi serta aspek yang berbeda dari model analitik skala nano. Di antara metode simulasi ini, pendekatan prinsip pertama adalah proses yang paling efektif dan populer. Modernisasi perangkat elektronik mendorong para peneliti untuk melakukan inovasi perangkat konvensional dalam versi modifikasi. Misalnya, perangkat semikonduktor tradisional dapat dirancang menggunakan biomolekul. Dalam kasus biomolekul umumnya, nukleobasa seperti adenin, timin, guanin dan sitosin telah dipertimbangkan yang dikenal sebagai blok bangunan dasar DNA [47, 55]. Sangat umum untuk membangun perangkat semikonduktor anorganik konvensional di bidang nanoteknologi. Namun, sulit untuk membangun perangkat elektronik organik terutama menggunakan biomolekul. Semikonduktor ini dicirikan tergantung pada sifat doping. Jika semikonduktor tidak memiliki doping pengotor, maka itu disebut semikonduktor intrinsik atau murni. Sebaliknya, jika semikonduktor didoping dengan atom atau molekul asing, maka semikonduktor tersebut dikenal sebagai semikonduktor ekstrinsik atau tidak murni [55,56,57,58,59,60].
Saat ini, perancangan perangkat berskala nano merupakan aspek yang menantang bagi para peneliti. Dioda, transistor, gerbang logika telah diimplementasikan pada tingkat molekuler. Ada ruang lingkup lain bagi para peneliti untuk mengimplementasikan perangkat nanobiosemikonduktor pada tingkat molekuler. Beberapa perangkat biomolekuler ini telah diperkenalkan di arena biomedis. Desain teoritis perangkat nano ini telah diimplementasikan menggunakan Atomistix-Tool Kit dan Virtual Nano Laboratory (ATK-VNL) berbasis simulator perangkat lunak Quantumwise versi 13.8.0 [69,70,71,72,73,74,75,76] . Bahkan logika Quantum Cellular Automata (QCA) secara teoritis dapat diimplementasikan menggunakan pendekatan prinsip pertama berbasis DFT dan NEGF [77]. Berbagai gerbang logika dapat dimungkinkan untuk dirancang menggunakan biomolekul, dan hasil yang diperoleh dari implikasi teoretis ini juga telah divalidasi menggunakan Multi-Sim atau SPICE atau simulator lainnya [70]. Proses doping listrik adalah fitur utama yang diperkenalkan untuk mendapatkan arus yang optimal. Arus terowongan melalui saluran molekul dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti efek hamburan balik, dll. Dengan menerapkan proses doping ini, kita dapat menghindari masalah yang terkait dengan proses doping konvensional. Model kombinasi dipol untuk penyetelan penghalang Schottky juga disarankan pada antarmuka logam-semikonduktor pada tingkat molekuler [78]. Pendekatan prinsip pertama juga berlaku untuk persimpangan terowongan magnetik, dan sifat elektronik kuantumnya telah dianalisis [79]. Untuk menghitung arus bocor melalui SiO2 dan SiOx Ty berbasis MOSFET, peneliti menggunakan pendekatan prinsip pertama berbasis DFT dan NEGF [80]. Pemodelan ab-initio ini diterapkan untuk pemodelan penyetelan ketinggian penghalang Schottky menggunakan antarmuka skala atom yttrium dan nikel silisida [81]. Penerowongan pita ke pita langsung dalam nanoribbon persimpangan MOS2 p-n dengan bias terbalik dapat dijelaskan menggunakan DFT dan NEGF [82]. Efek penggabungan atom dopan polaritas berlawanan ke dalam kawat nano menunjukkan sifat listrik seperti dioda Zener [83]. Efek penyaringan dua putaran dapat dilihat pada yttrium nitrit YN setengah logam2 [84]. Investigasi FET biomolekuler heterostruktur dapat diamati menggunakan teknik doping listrik ini. Transpor balistik kuantum dapat diamati menggunakan fenomena doping listrik ini pada tingkat molekuler [85]. Menggunakan pendekatan teoretis ini saklar biomolekuler yang didoping secara elektrik dirancang saat menggunakan karbon nanotube berdinding tunggal (SWCNT) sebagai elektroda [86]. Formalisme NEGF membantu merancang dioda terowongan resonansi anti-titik berbasis graphene [87]. Karakteristik atomistik dari sambungan p-n silikon dua dimensi telah ditunjukkan dengan menggunakan pendekatan prinsip pertama [88]. Dioda dan transistor adalah blok bangunan dasar dari setiap sirkuit elektronik. Gerbang logika juga dapat diimplementasikan menggunakan dioda dan transistor. Oleh karena itu, logika apa pun dapat diimplementasikan menggunakan formalisme prinsip pertama.
Dalam tren nanoteknologi baru-baru ini, para peneliti tertarik untuk merancang dan mengkarakterisasi berbagai fitur elektromekanis perangkat bioinspired dan semikonduktor pada skala atom. Perangkat bioinspired ini sangat biokompatibel dan menciptakan jembatan antara area semikonduktor dan arena penelitian bi-molekul. Teknologi CMOS sudah jenuh. Oleh karena itu, tujuan dari peneliti adalah untuk menggantikan dan membuat jembatan di antara mereka. Beberapa proposal telah diajukan oleh para peneliti untuk menggabungkan teknologi CMOS dengan teknologi bioinspired seperti DNA atau biomolekul lainnya. Bagian penting dari DNA adalah basa nitrogen adenin, timin, sitosin, dan guanin. Basa nitrogen ini telah membuat komposit dengan gula ribosa dan gugus fosfat untuk membentuk oligonukleotida. Oligonukleotida ini memiliki gugus fosfat sebagai tulang punggung. Korelasi untuk sinyal dinamis telah ditingkatkan untuk identifikasi biomolekul dan DNA [89]. Translokasi DNA, transmisi elektronik dan pemodelan semiempiris melalui graphene nanopore juga dapat dimungkinkan secara teoritis menggunakan DFT dan NEGF [90,91,92,93]. Analisis DNA juga dapat dimungkinkan dengan elektroda graphene menggunakan pemodelan semiempiris [94]. Mengenali pasangan asam nukleat basa menggunakan sifat transpor transversal juga telah dimungkinkan [95]. Konduktansi melalui DNA tembakan juga telah diusulkan oleh kelompok peneliti [96]. Peningkatan elektronik dengan prosedur doping untuk pasangan basa DNA juga telah dimasukkan untuk meningkatkan konduktivitas [97]. Promosi elektronik juga dimungkinkan melalui proses transfer proton ganda [98]. Pengenalan nukleotida dengan metode terowongan silang juga dimungkinkan menggunakan pendekatan prinsip pertama [99]. Faktor struktural mengontrol konduktivitas DNA, dan ini juga telah dibahas dalam [100]. Perangkat skala nano menunjukkan fenomena transpor kuantum yang sangat besar untuk berbagai jenis pemodelan perangkat skala nano [56, 58, 59, 101.102.103.104.105.106.107]. Perangkat ini termasuk FET, dioda dan sakelar optik [60, 68, 108,109,110,111,112,113,114,115,116]. Karya yang diusulkan ini merupakan salah satu pendekatan untuk menjembatani biomolekul dengan teknologi semikonduktor III–V. Heterostruktur biomolekul dan bahan nanokristalin III-V juga dapat dirancang menggunakan pendekatan teori prinsip pertama. Selanjutnya, sifat listrik dan optik dari graphene yang didoping bersama nitrogen dan emas diselidiki menggunakan formalisme prinsip pertama. Formalisme prinsip pertama digunakan untuk mengetahui perubahan karakteristik mekanika kuantum dan penyelidikan berbagai sifat elektronik atau optik dari molekul organik maupun anorganik. Investigasi juga dapat dilakukan untuk graphene yang cacat kekosongan dan graphene yang didoping Mn menuju H2 penyerapan S. Penyelidikan feromagnetisme menggunakan pendekatan prinsip pertama untuk monolayer AlN yang didoping logam transisi juga merupakan tren yang muncul. Efek doping diselidiki untuk monolayer MoS2 menggunakan DFT untuk cahaya tampak adalah topik diskusi yang penting. 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 = \(\frac{x}{{abc \times 10^{ - 21} }}\) = 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.
Kesimpulan
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.
Ketersediaan data dan materi
All the data and material are available in the manuscript.
Singkatan
DFT:
Teori fungsi densitas
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
