Survei Prinsip-Pertama tentang Perangkat Nano Doped Listrik
Abstrak
Doping adalah fitur kunci dalam pembuatan perangkat semikonduktor. Banyak strategi telah ditemukan untuk mengontrol doping di bidang fisika semikonduktor selama beberapa dekade terakhir. Doping listrik adalah strategi yang menjanjikan yang digunakan untuk pengaturan efektif populasi muatan, properti elektronik, dan properti transmisi. Proses doping ini mengurangi risiko suhu tinggi dan kontaminasi partikel asing. Upaya eksperimental dan teoritis yang signifikan telah dilakukan untuk mempelajari karakteristik doping listrik selama beberapa dekade terakhir. Dalam artikel ini, kami pertama-tama secara singkat meninjau peta jalan historis doping listrik. Kedua, kami akan membahas doping listrik pada tingkat molekular. Jadi, kami akan meninjau beberapa pekerjaan eksperimental pada tingkat molekular bersama dengan kami meninjau berbagai pekerjaan penelitian yang dilakukan berdasarkan doping listrik. Kemudian kami menemukan pentingnya doping listrik dan manfaatnya. Selanjutnya, kami menggambarkan metode doping listrik. Terakhir, kami menyimpulkan dengan studi perbandingan singkat antara metode doping listrik dan konvensional.
Pendahuluan
Doping memainkan peran penting dalam menentukan karakteristik fisik dan aplikasi dari berbagai bahan organik atau anorganik, terutama untuk semikonduktor. Metode ini telah terbukti berhasil untuk industri fisika semikonduktor. Penambahan sejumlah kecil impuritas menentukan konsentrasi dopan dan konduktivitas listrik bahan. Terlihat bahwa dopan ideal harus menunjukkan keleresan ideal dalam bahan induknya, dan juga menunjukkan tingkat cacat yang rendah. Namun, beberapa masalah dasar terkait dengan proses doping konvensional ini, misalnya, bottleneck doping yang secara kuat mempengaruhi kinerja perangkat. Degradasi kinerja jenis ini telah diamati secara parah untuk bahan celah lebar.
Misalnya, dalam kasus minima dari perangkat celah konduksi tinggi, doping n-type sulit, sedangkan untuk maxima dari perangkat celah valensi rendah juga rumit [1, 2]. Oleh karena itu, beberapa masalah timbul untuk proses doping bipolar dalam semikonduktor celah lebar. Terlihat bahwa baik dopan p-type atau n-type dapat dimasukkan tetapi tidak bersama-sama [3]. Oleh karena itu, untuk mengatasi masalah jenis ini, solusi yang feasible telah diintegrasikan ke dalam domain doping. Pendekatan yang diusulkan ini dikenal sebagai doping listrik, yang tidak bergantung pada doping bipolar jenis ini. Doping listrik telah diperkenalkan untuk memecahkan masalah doping bipolar. Pada akhir 1980-an dan 1990-an, peneliti mengamati bahwa senyawa III–V seperti kristal tunggal GaN sulit ditumbuhkan. Bahkan, untuk penggunaan komersial substrat GaN juga tidak tersedia pada era akhir 1990-an. Alasannya dijelaskan dengan cara bahwa selisih konstanta jaringan dan koefisien ekspansi termal antara substrat safir dan semikonduktor GaN membuat sulit untuk menumbuhkan lapisan epitaksial GaN berkualitas tinggi pada substrat safir. Di sisi lain, hampir tidak mungkin untuk mendapatkan semikonduktor GaN p-type karena kombinasi konsentrasi latar belakang n-type yang tinggi dan aktivitas doping p-type yang rendah. Masalah ini dapat diatasi secara signifikan dengan fenomena doping listrik oleh Rudaz pada tahun 1998. Pada akhir 1980-an, ilmuwan menemukan pentingnya menumbuhkan lapisan buffer GaN atau AlN untuk mendemonstrasikan LED berbasis GaN pada suhu rendah. Proses pemanasan pasca-tumbuh membantu mengaktifkan pertumbuhan dopan p-type pada lapisan buffer GaN. Kemajuan ini mempercepat pertumbuhan dalam pengembangan perangkat sistem bahan semikonduktor nitrida III–V untuk perangkat optoelektronik celah lebar [4]. Substrat GaN dan proses pemanasan pasca-tumbuh juga memainkan peran penting dalam teknik ini [5,6,7]. Selama beberapa dekade terakhir, teknologi pengeringan plasma memainkan peran penting dalam teknologi skala ultra-besar (ULSI) untuk menyusutkan ukuran pola. Ini membawa kita ke evolusi teknologi nano. Pada saat yang sama, teknologi plasma menghadapi beberapa masalah inherent misalnya; pembentukan muatan, radiasi UV photon bersama dengan performa pengeringan untuk perangkat nano. Untuk menghapus masalah ini dan memproduksi perangkat nano praktis, proses pengeringan neutral-beam telah muncul di bidang ini. S. Samukawa telah memperkenalkan sumber neutral beam ini dan juga berbicara tentang kombinasi pemrosesan top-down dan bottom-up untuk perangkat nano masa depan. Teknologi neutral beam mengeksekusi pengeringan bebas kerusakan karena digunakan secara atomik. Dengan teknik ini, modifikasi permukaan bahan anorganik dan organik juga dapat dilakukan. Teknik ini adalah kompetitor yang mampu untuk teknologi pembuatan praktis untuk perangkat nano masa depan [8]. Teknologi plasma padat tinggi ini mencakup plasma coupled indusif (ICP) dan plasma resonansi siklotron elektron (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 pembentukan muatan ion positif dan elektron [8,9,10,11,12].
Radiasi ultraviolet (UV), sinar vacuum ultraviolet (VUV) juga dapat merusak perangkat nano.
Foton X-ray juga dapat menyebabkan retakan pada perangkat nano selama masalah pengeringan plasma ini [13,14,15,16,17,18,19,20,21].
Karena pembentukan muatan akibat generasi tegangan memutar trajetori ion, ini juga menyebabkan retakan film oksida gerbang tipis.
Selain itu, foton UV atau VUV yang memancar dari teknik pengeringan plasma padat tinggi menyebabkan terjadinya cacat kristal.
Masalah-masalah ini secara kuat menurunkan properti listrik perangkat nano. Oleh karena itu, masalah-masalah ini dapat dihindari dengan sistem pengeringan neutral-beam berkinerja tinggi. S. Samukawa dan kelompoknya telah menciptakan sumber neutral beam yang sangat efisien untuk mewujudkan pengeringan top-down akhir untuk perangkat nano masa depan. Mereka memperkenalkan proses pengeringan akhir untuk perangkat nano masa depan dari 50 nm hingga bawah 10 nm dengan menggunakan sumber neutral beam baru kami.
Surat ini disusun sebagai berikut. Pertama, peta jalan historis doping listrik ditinjau secara singkat. Setelah itu, kami akan meninjau beberapa pekerjaan eksperimental pada tingkat molekular karena proses doping ini juga memiliki dampaknya pada tingkat molekular. Kemudian, kami memberikan diskusi singkat tentang berbagai pekerjaan penelitian yang terkait dengan proses doping listrik. Beberapa manfaat penting dari doping listrik dijelaskan dalam bagian berikutnya. Selanjutnya, kami menggambarkan metode proses doping listrik. Akhirnya, kami akan menyimpulkan dengan diskusi singkat tentang studi perbandingan antara doping konvensional dan doping listrik.
Peta Jalan Historis Doping Listrik
Meskipun studi ini sebagian besar berfokus pada doping listrik pada tingkat molekular, penting untuk pertama-tama meninjau sejarah awal doping konvensional. Pada tahun 1930, diperhatikan bahwa konduktivitas semikonduktor terpengaruh oleh kehadiran sejumlah kecil impuritas [2, 22, 23]. Pada tahun 1931, formalisme mekanika kuantum pertama digunakan untuk bahan semikonduktor [24]. Prototipe sambungan p–n berhasil divisualisasikan oleh Davydov pada tahun 1938 [25, 26]. Artikel ini menjelaskan pentingnya pembawa minoritas. Woodyard memperkenalkan konsep “doping.” Dia menyisipkan sebagian kecil fosfor, arsena atau antimoni ke dalam germanium murni. Penambahan impuritas ini meningkatkan properti listrik germanium [27]. Shockley mengusulkan penemuan historisnya, yaitu, “transistor sambungan” pada tahun 1949. Penemuan ini mengubah geometri industri semikonduktor [28]. Meskipun penemuan sambungan bipolar membuat tsunami bagi evolusi industri semikonduktor, ia juga memiliki beberapa masalah terkait transistor. Misalnya, dua lapisan p–n harus disambungkan satu sama lain di belakang dalam ruang yang sempit. Masalah ini diatasi setelah penemuan “transistor sambungan tumbuh” di Bell Laboratory pada tahun 1950 menggunakan metode doping ganda [29, 30]. Dalam proses “doping ganda,” sejumput galium ditambahkan ke dalam germanium n-type cair, yang mengubah germanium menjadi p-type. Setelah itu, sejumput antimoni dimasukkan ke dalamnya yang mengubahnya dari p-type kembali menjadi n-type [31]. Dua jenis dopan ditambahkan satu sama lain dalam proses ini. Ada jenis doping lain yang berkembang pada awal 1950-an, yang dikenal sebagai “co-doping.” Sambungan p dan n dianggap sebagai “co-doping” dari semikonduktor. Doping pada tingkat molekular juga merupakan bagian penting dari doping listrik. Pada tahun 1998, Rudaz mengusulkan metode untuk memaksimalkan efek doping listrik dengan mengurangi retakan bahan untuk semikonduktor III–V [4]. Pada tahun 2002, Zhou et al. menunjukkan dioda organik terpantul transparan yang deposited vakum yang juga merupakan perangkat tegangan rendah dengan menggunakan proses doping listrik. Doping listrik memainkan peran penting untuk meningkatkan kinerja perangkat organik. Injeksi pembawa yang di-dope listrik terjadi untuk organik LED (OLED). Lapisan transportasi menunjukkan tegangan dorong rendah, yang biasanya disebabkan oleh anion radikal, kation dan kontak ohmik di akhir antarmuka elektroda. OLED tegangan ultra-rendah di-deposit vakum dengan 2,6 V untuk 100 cd/m2 dalam struktur p–i–n. Oleh karena itu, emisi intrinsik disandwikian antara lapisan transportasi celah lebar p-type dan n-type. Kegiatan terkait doping listrik dalam film molekular organik ditekankan dalam beberapa studi [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].
Ini adalah salah satu prosedur untuk menghindari proses bombardemen ionik dalam pendekatan desain perangkat skala atom. Gao dan Kahn [43] telah menunjukkan proses ini pada film tipis molekul. Senyawa ini misalnya polimer polikarbonat dengan tris(4-bromofenil)aminium heksakloroantimonat (TBAHA) 4,4′,4″-tris(3-metilfenilfenilamino)-trifenilamina (m-MTDATA) lapisan transportasi lubang p-doped dengan F4-TCNQ digunakan untuk sukses memproduksi berbagai lapisan perangkat OLED senyawa [45, 46]. Proses ini juga telah digunakan di sel fotovoltaik organik (OPVC). Proses ini juga telah digunakan untuk pengaturan pada tingkat molekular dan juga untuk meningkatkan peningkatan efisiensi perangkat oleh injeksi pembawa. Konduktivitas film molekular meningkat secara besar untuk doping n-type dan p-type dengan menggunakan proses ini. Proses doping ini banyak digunakan untuk kontak ohmik pada semikonduktor anorganik [43,44,45,46]. Hingga kini, organik LED menempati posisi efektif di bidang teknologi nano molekular. Dalam semikonduktor III–V, dengan menggunakan proses doping ini kontak n-type dan penyisipan molekul eksternal n-type dapat dibuat mungkin. Doping listrik juga membantu untuk membuat fenomena seperti resistensi listrik, penyisipan pembawa, rekombinasi pembawa ke dalam lapisan antarmuka molekular mungkin. Sel fotovoltaik organik (OPVC) adalah salah satu aplikasi paling relevan dari fenomena doping listrik. Dalam proses penyeimbangan level untuk OPVC, proses ini bekerja pada konduktivitas sel-sel ini. Penyisipan pembawa muatan akhirnya meningkat dengan metode ini. Dalam kasus antarmuka meta-organik, metode ini dimulai dan membawa ke susunan lapisan depleksi melalui yang transmisi penggelaran kuantum dapat berlangsung. Ini adalah salah satu proses yang efisien yang dapat digunakan secara efektif untuk pembuatan kontak organik dan anorganik. Proses ini juga membantu untuk menggeser level netralitas muatan untuk film tipis molekular. Selain itu, sekitar 0,1 hingga 1% molekul asing dapat dimasukkan dengan metode ini ke dalam antarmuka molekular. Jumlah konsentrasi doping ini adalah angka yang besar untuk metode doping konvensional. Tingkat konsentrasi doping ini membantu untuk menghasilkan semikonduktor de-generasi. Konsentrasi doping yang tinggi ini membantu untuk mencegah pembentukan selanjutnya pita yang diinduksi doping [34, 43,44,45,46].
Proses Doping Listrik dan Pentingnya
Teknik utama dan terdepan yang dipilih untuk metode doping listrik adalah untuk mengontrol level Fermi dengan menggunakan proses ini. Oleh karena itu, teknik ini sangat populer antara semikonduktor anorganik dan organik selama beberapa dekade terakhir. Doping listrik pada tahun-tahun terakhir telah menarik perhatian khusus di bidang teknologi nano terinspirasi biologi. Doping listrik adalah proses penyisipan muatan elektron atau penerimaan muatan tersebut ke dalam film molekular. Fitur kunci 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 ini [43,44,45,46]. Prosedur doping listrik telah diperkenalkan untuk menghindari bombardemen ionik, yang umumnya tidak mungkin untuk pemodelan perangkat nano.
Metode doping ini ditentukan terutama dalam dua langkah:
Langkah pertama melibatkan transfer satu elektron dari donor ke penerima (ke dalam molekul).
Kedua, terkait dengan metode dissosiasi kompleks transfer muatan integer keadaan dasar.
Jadi, dikonfirmasi bahwa doping listrik hanyalah perpindahan level Fermi baik menuju level molekular tertinggi yang terisi (celah valensi) atau kondisi molekular terendah yang tidak terisi (celah konduksi). Jika pembawa bebas adalah ρ, NA− adalah densitas dopan yang terionisasi, NA adalah konsentrasi dopan netral, maka densitas pembawa bebas harus dirumuskan seperti dalam Eq. (1). Dalam persamaan ini, EA dan EF adalah energi penerima dan level Fermi dan KB adalah konstanta Boltzmann pada suhu absolut T [124].
Teknik doping ini telah dilakukan dengan teknik desain dua-sonda dalam Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). Jumlah perangkat atomistik terinspirasi biologi terletak di pusat teknologi nano. Perangkat ini beroperasi pada frekuensi THz ultra-tinggi. Frekuensi yang dihitung untuk perangkat ini sekitar THz. Misalnya dalam sebuah artikel, di mana karakteristik transportasi untuk sambungan terowong semikonduktor GaAs-Adenine-GaAs diilustrasikan. Dalam artikel tersebut frekuensi operasional dilaporkan sekitar 25THz [125].
Doping adalah induksi sengaja dari impuritas eksternal ke dalam bahan semikonduktor murni untuk alasan meningkatkan performa listrik. Pentingnya proses doping listrik dapat dijelaskan sebagai berikut.
Prosedur doping listrik ini berbeda dari proses doping konvensional. Dalam kasus proses doping konvensional, bahan semikonduktor di-dope dengan dopan atau impuritas ekstrinsik. Proses ini adalah proses suhu tinggi. Ada kemungkinan retakan 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 terkait dengan impuritas sama sekali. Seperti dalam prosedur ini, muatan potensial berlawanan diinduksi di kedua ujung perangkat. Oleh karena itu, ini akan menghasilkan penurunan potensial di wilayah molekular pusat dari perangkat nano. Metode ini sangat membantu untuk desain perangkat nano karena metode ionisasi dapat menghasilkan deformasi struktural untuk bahan nano. Dalam kasus doping konvensional, beberapa masalah mungkin timbul. Beberapa masalah besar tercantum dalam Tabel 1. Perbedaan antara doping konvensional dan doping listrik dirancang dalam Tabel 1, dan juga membantu untuk memahami bagaimana doping listrik penting untuk pembuatan perangkat nano.
Tabel 1 ini menunjukkan mengapa doping listrik penting untuk tingkat molekular. Doping ini menghindari generasi panas, reaksi interatomik atau intermol sampingan serta kompatibel untuk prosedur desain perangkat nano apa pun.
Dalam artikel ini, proses doping listrik terutama diunggulkan. Metode doping ini berguna untuk pembuatan perangkat nano terutama persiapan film tipis molekular. Dalam metode ini penyisipan pembawa muatan terjadi di kedua ujung perangkat molekular. Proses ini juga digambarkan pada Gambar 1. Diagram ini mewakili metode doping listrik sederhana. Gambar ini juga menunjukkan bagaimana penurunan potensial telah dibuat karena penyisipan dua pembawa muatan sama besar tetapi berlawanan di kedua terminal elektroda. Elektroda ini adalah bagian penting dari perangkat molekular. Penyisipan muatan dapat dilakukan melalui elektroda ini. Muatan sama besar dan berlawanan ini menciptakan penurunan potensial di dalam wilayah molekular pusat. Penurunan potensial ini bertindak sebagai daya dorong konduksi muatan di antara dua elektroda, yaitu, melalui bagian molekular pusat. Ini adalah proses aktual dari doping listrik. Meskipun proses ini saat ini banyak digunakan dalam pemodelan analitis atau teoretis perangkat nano terutama, juga berguna untuk persiapan film tipis molekular organik dan anorganik.
Diagram skematis proses doping listrik konseptual
Gambar 1 menunjukkan bagaimana elektron atau pembawa muatan mengalir dari satu elektroda ke arah lain karena penurunan potensial yang telah dijatuhkan karena variasi bias di dua terminal elektroda.
Doping Listrik pada Tingkat Molekular
Akhir-akhir ini peneliti tertarik untuk prosedur doping yang terkontrol. Oleh karena itu, prosedur doping listrik ini membantu untuk memperkenalkan doping yang terkontrol untuk semikonduktor anorganik. Jadi, ini juga membantu untuk menyesuaikan properti listrik semikonduktor ini dengan memperkenalkan doping listrik. Fenomena doping ini membantu untuk menyesuaikan celah optik semikonduktor dengan variasi kimia mereka. Prosedur doping ini juga merupakan proses berbiaya rendah dan berguna untuk substrat fleksibel.
Prosedur doping listrik adalah metode dengan selisih potensial telah dibuat di antara kedua ujung perangkat nano. Dalam pekerjaan teoretis ini [47,48,49,50,51,52] kami telah menyusun ini dengan menyediakan polaritas berbeda tetapi nilai tegangan yang sama di kedua ujung perangkat nano melalui elektroda dua-sonda. Diagram skematis untuk proses teoretis ini ditunjukkan pada Gambar 2.
Diagram skematis proses doping listrik konseptual (menggunakan ATK-VNL)
Pendekatan teoretis ini melibatkan untuk menciptakan wilayah positif (p+) dan negatif (n+) yang sangat di-dope, yang penting untuk merancang perangkat nanosemikonduktor untuk bahan organik dan anorganik.
Dengan menggunakan prosedur ini pembawa muatan akan disuntikkan ke dalam antarmuka molekular. Doping listrik adalah proses yang terkontrol untuk molekul organik daripada film tipis anorganik. Oleh karena itu, dopan konvensional p dan n tidak wajib untuk disisipkan. Akhirnya, doping listrik meningkatkan injeksi pembawa dan menurunkan tegangan dorong yang menyebabkan kenaikan efektivitas perangkat. Jadi, metode doping listrik sepenuhnya bergantung pada injeksi transmisi elektron atau penerimaan elektron ke molekul induk.
Rantai heterojungsi dibuat dengan biomolekul adenin dan timin yang digunakan untuk merasakan beberapa gas ketika rantai melewati nanopora lembaran GaAs nanosheet [47]. Dalam kasus itu, juga doping listrik diinduksi di dua bagian lembaran nanosheet ini. Karena induktansi yang efektive, rantai biomolekul ini menunjukkan kemampuannya untuk merasakan molekul gas asing yang terserap [47]. Dalam kasus desain perangkat nano juga terkait dengan penyerapan molekul. Misalnya, penyerapan molekul volátil pada suhu 32 °C ke dalam nanowire ZnO diteliti [53]. Dengan menggunakan pendekatan prinsip-pertama berbasis DFT dan NEGF, nano-FET dapat dirancang menggunakan berbagai modifikasi struktural. Berbagai properti nano-FET ini juga diamati, misalnya, penilaian skalabilitas, selisih HOMO–LUMO, arus maksimum yang dapat diperoleh, performa RF, investigasi linearitas [54,55,56,57,58,59,60,61]. Dioda molekular berbasis co-oligomer konjugat dapat dirancang menggunakan formalisme berbasis DFT dan NEGF. Co-oligomer terhubung dengan dua elektroda dan membentuk dioda molekular. Selisih 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 empat persimpangan berbeda yang berasal dari nanowtub karbon (CNT) menggunakan berbagai linker [63]. Berbagai jenis dioda dapat diimplementasikan menggunakan pendekatan prinsip-pertama berbasis rumus DFT dan NEGF. Misalnya, dioda Schottky, dioda molekular tunggal, dioda arus spin, dioda spin bipolar, dioda molekular di-block, karakteristik dioda mundur oleh karena itu diimplementasikan dengan pendekatan ini [64,65,66,67,68].
Pekerjaan Penelitian Tingkat Molekular Berdasarkan Doping Listrik
Doping listrik pada tingkat molekular memainkan peran penting dalam nanoelektronika. Peneliti sangat tertarik untuk memperkenalkan prosedur doping ini dalam prosedur desain perangkat nano. Efek doping ini membantu untuk antarmuka antara berbagai level perataan molekular. Proses ini tidak hanya membantu untuk mempelajari antarmuka molekular heterojungsi organik tetapi juga dapat diterima untuk bahan anorganik. Doping ini membantu untuk pembentukan antarmuka dengan bantuan dipol dan gerakan setara dalam posisi perbandingan antarmuka molekular. Jadi, proses doping listrik ini dapat diterima untuk perataan antarmuka molekular.
Pemilihan perangkat elektronik konvensional adalah bidang penelitian yang paling muncul saat ini. Ada beberapa pendekatan yang memotivasi peneliti untuk menyelidiki dan mempelajari sifat perangkat nano. Salah satu pendekatan terpenting 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]. Menurut hasilnya, peneliti dapat memodifikasi parameter simulasi yang berbeda serta berbagai aspek dari model analitik perangkat nano. Di antara metode simulasi ini, pendekatan prinsip-pertama adalah proses yang paling efektif dan populer. Modernisasi perangkat elektronik mendorong peneliti untuk menginovasi perangkat konvensional dalam versi yang dimodifikasi. Misalnya, perangkat semikonduktor tradisional dapat dirancang menggunakan biomolekul. Dalam kasus biomolekul umumnya, basa nitrogen seperti adenin, timin, guanin dan sitosin telah dipertimbangkan yang dikenal sebagai blok pembangun dasar DNA [47, 55]. Sangat umum untuk membangun perangkat semikonduktor anorganik tradisional di bidang teknologi nano. Namun, sulit untuk membangun perangkat elektronik organik terutama menggunakan biomolekul. Semikonduktor ini dikarakterisasi berdasarkan properti doping mereka. Jika semikonduktor tidak memiliki doping impuritas apa pun, maka disebut semikonduktor intrinsik atau murni. Di sisi lain, jika semikonduktor di-dope dengan atom atau molekul asing, maka dikenal sebagai semikonduktor ekstrinsik atau kotor [55,56,57,58,59,60].
Hingga kini, desain perangkat nano adalah aspek yang menantang bagi peneliti. Dioda, transistor, gerbang logika telah diimplementasikan pada tingkat molekular. Ada ruang lain bagi peneliti untuk mengimplementasikan perangkat nanosemikonduktor bio pada tingkat molekular. Beberapa perangkat biomolekul ini telah diperkenalkan di arena biomedis. Desain teoretis perangkat nano ini telah diimplementasikan menggunakan simulator perangkat lunak Atomistix-Tool Kit dan Virtual Nano Laboratory (ATK-VNL)-based Quantumwise versi 13.8.0 [69,70,71,72,73,74,75,76]. Bahkan logika Quantum Cellular Automata (QCA) dapat diimplementasikan secara teoretis dengan pendekatan prinsip-pertama berbasis DFT dan NEGF [77]. Berbagai gerbang logika dapat dibuat mungkin untuk dirancang menggunakan biomolekul, dan hasil yang diperoleh dari implikasi teoretis ini juga divalidasi menggunakan Multi-Sim atau SPICE atau simulator lainnya [70]. Proses doping listrik adalah fitur kunci yang diperkenalkan untuk mendapatkan arus optimum. Arus terowong melalui saluran molekular dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti efek pencaran balik, dll. Dengan menerapkan proses doping ini, kita dapat menghindari masalah yang terkait dengan proses doping konvensional. Model kombinasi dipol untuk penyesuaian halangan Schottky juga diusulkan di antarmuka logam–semikonduktor pada tingkat molekular [78]. Pendekatan prinsip-pertama juga dapat diterapkan pada sambungan terowong magnetik, dan properti elektronik kuantum mereka telah dianalisis [79]. Untuk menghitung arus kebocoran melalui MOSFET berbasis SiO2 dan SiOxNy, peneliti menggunakan pendekatan prinsip-pertama berbasis DFT- dan NEGF [80]. Pemodelan ab-initio ini diterapkan untuk pemodelan penyesuaian tinggi halangan Schottky menggunakan antarmuka skala atom silisida yttrium dan nikel [81]. Penggelaran band ke band langsung dalam sambungan p–n nanoribon MOS2 bias terbalik dapat dijelaskan menggunakan DFT dan NEGF [82]. Efek penggabungan atom dopan polaritas berlawanan ke dalam nanowire menunjukkan properti listrik seperti dioda Zener [83]. Efek penyaringan dual-spin dapat dilihat dalam yttrium nitrite setengah-logam YN2 [84]. Penyelidikan heterostruktur biomolekul FET dapat diamati menggunakan teknik doping listrik ini. Transportasi balistik kuantum dapat diamati dengan fenomena doping listrik ini pada tingkat molekular [85]. Dengan pendekatan teoretis ini, saklar biomolekul yang di-dope listrik dirancang menggunakan nanowtub karbon dinding tunggal (SWCNT) sebagai elektroda [86]. Formalisme NEGF membantu merancang dioda terowong resonan anti-titik berbasis grafen [87]. Karakteristik atomistik sambungan p–n silikon dua dimensi telah divisualisasikan menggunakan pendekatan prinsip-pertama [88]. Dioda dan transistor adalah blok pembangun dasar dari semua sirkuit elektronik. Gerbang logika juga dapat diimplementasikan menggunakan dioda dan transistor. Oleh karena itu, setiap logika dapat diimplementasikan menggunakan formalisme prinsip-pertama.
Dalam tren teknologi nano saat ini, peneliti tertarik untuk merancang dan mengkarakterisasi berbagai fitur elektromekanis perangkat terinspirasi biologi dan semikonduktor pada skala atom. Perangkat terinspirasi biologi ini sangat kompatibel secara biologis dan membuat jembatan antara area semikonduktor dan arena penelitian biomolekul. Teknologi CMOS telah sudah terpuaskan. Oleh karena itu, tujuan peneliti adalah untuk menggantikan dan membuat jembatan di antara mereka. Beberapa usulan telah diajukan oleh peneliti untuk menggabungkan teknologi CMOS dengan teknologi terinspirasi biologi 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 ribose dan grup fosfat untuk membentuk oligonucleotide. Oligonucleotide ini memiliki grup fosfat sebagai tulang punggung. Korelasi untuk sinyal dinamis telah ditingkatkan untuk identifikasi biomolekul dan DNA [89]. Induk DNA, transmisi elektron dan pemodelan semiempiris melalui nanopora grafen juga dapat dibuat mungkin secara teoretis menggunakan DFT dan NEGF [90,91,92,93]. Analisis DNA juga dapat dibuat mungkin dengan elektroda grafen menggunakan pemodelan semiempiris [94]. Pengenalan pasangan basa asam nukleat menggunakan properti transportasi lintas juga telah dibuat mungkin [95]. Konduktivitas melalui DNA pendek juga telah diusulkan oleh sekelompok peneliti [96]. Promosi elektronik dengan prosedur doping ke pasangan basa DNA juga telah diintegrasikan untuk meningkatkan konduktivitas [97]. Promosi elektronik juga telah mungkin oleh proses transfer proton ganda [98]. Pengenalan nukleotida dengan metode penggelaran lintas juga telah mungkin menggunakan pendekatan prinsip-pertama [99]. Faktor struktural mengontrol konduktivitas DNA, dan ini juga telah dibahas dalam [100]. Perangkat nano menunjukkan fenomena transportasi kuantum yang besar untuk berbagai jenis pemodelan perangkat nano [56, 58, 59, 101,102,103,104,105,106,107]. Perangkat ini mencakup FET, dioda dan saklar optik [60, 68, 108,109,110,111,112,113,114,115,116]. Karya yang diusulkan ini adalah satu pendekatan untuk membuat jembatan antara biomolekul dengan teknologi semikonduktor III–V. Heterostruktur biomolekul dan bahan kristal nano III–V juga dapat dirancang menggunakan pendekatan prinsip-pertama teoretis. Selanjutnya, properti listrik dan optik grafen co-doped nitrogen dan emas diteliti menggunakan formalisme prinsip-pertama. Formalisme prinsip-pertama digunakan untuk menemukan perubahan karakteristik mekanika kuantum dan penyelidikan berbagai properti elektronik atau optik dari molekul organik maupun anorganik. Penyelidikan juga dapat dilakukan untuk grafen cacat rongga dan grafen doped Mn terhadap penyerapan H2S. Penyelidikan feromagnetik menggunakan pendekatan prinsip-pertama untuk AlN monolapisan doped logam transisi juga merupakan tren yang muncul. Efek doping diteliti untuk monolapisan MoS2 menggunakan DFT untuk cahaya terlihat adalah topik diskusi yang penting. Studi perubahan properti elektronik telah divisualisasikan untuk fosforena doped Eu berdasarkan pendekatan prinsip-pertama. Fitur transportasi kuantum elektromekanis tersedia untuk perangkat ini [117,118,119,120,121].
Pada tahun 1987, Destefanis mengusulkan doping listrik HgCdTe menggunakan metode implantasi ion dan pemanasan panas. Untuk meningkatkan jumlah piksel yang besar ke dalam perangkat array bidang fokus, detektor fotovoltaik inframerah diperlukan. Penggunaan implantasi ion HgCdTe meningkatkan minat produsen. Dalam jenis manufaktur detektor fotovoltaik inframerah ini, proses doping listrik diperkenalkan. Terungkap bahwa efek doping listrik ke dalam HgCdTe muncul secara signifikan karena properti intrinsik dioda secara langsung terkait dengannya. Doping listrik juga diusulkan untuk peningkatan penyerapan plasmonik pada nanokrystal core–shell Au-PbS. Metode doping ini diimplementasikan menggunakan metode transfer muatan intra-partikel. Dalam eksperimen ini, nanokrystal koloidal digunakan sebagai blok pembangun dasar untuk sel surya, detektor foto, dll. Dalam pendekatan ini, peneliti menyelidiki properti elektronik bahan kristal nano koloidal dan mereka juga mengusulkan pendekatan baru untuk doping listrik ke dalam padatan kristal nano ini menggunakan metode transfer muatan intra-partikel [123]. Alur proses untuk pekerjaan simulasi ini ditunjukkan pada Gambar 3.
Diagram alur kerja Quantumwise ATK-VNL [76]
Metode Simulasi Doping Listrik
Desain analitis perangkat molekular ini memerlukan inovasi dan perbaikan yang konstan di bidang ilmu material. Teori fungsi kepadatan (DFT) dan fungsi Green non-seimbang (NEGF) adalah dua formalisme kunci di balik analitik untuk pemodelan perangkat nano ini. Pendekatan prinsip-pertama menggabungkan dua formalisme ini untuk menjelaskan secara teoretis jenis perangkat skala nano ini. Teori Hückel diperluas (EHT) adalah faktor kunci lain untuk mempercepat prosedur desain perangkat atomistik ini [126, 127]. Prosedur pemodelan teoretis ini membantu untuk mencegah berbagai masalah terkait desain nano seperti bahaya selama doping partikel asing, generasi frekuensi operasi THz, dll. Tujuan lain dari prosedur desain nano ini adalah untuk mengoperasikan perangkat dengan mempertahankan suhu elektronik pada 300 K, yaitu, suhu kamar. Semikonduktor III–V adalah bahan semikonduktor optik yang sehat yang dapat digunakan untuk desain berbagai perangkat elektronik. Setelah teknologi silikon, teknologi semikonduktor III–V adalah salah satu bidang yang muncul dan paling diinginkan untuk cocok dalam teknologi semikonduktor nano. Biomolekul (seperti adenin, timin, guanin dan sitosin) telah diperkenalkan untuk membentuk berbagai perangkat elektronik skala nano. Biomolekul ini juga menunjukkan paparan optik mereka ketika disimulasikan di dekat-UV (mid-UV-B). Dalam karya yang diusulkan ini, karakterisasi elektronik telah dilakukan untuk perangkat skala nano yang disimulasikan menggunakan pendekatan prinsip-pertama. Pemodelan semiempiris ini dilakukan menggunakan EHT untuk mendapatkan simulasi yang lebih cepat. Kami bertujuan untuk merancang dan mengkarakterisasi bahan III–V bersama dengan biomolekul menggunakan formalisme prinsip-pertama berbasis DFT- dan NEGF. Desain semiempiris dari perangkat nano terinspirasi biologi ini telah dilakukan menggunakan paket simulasi perangkat lunak Quantumwise.
Untuk menyertakan doping listrik ke dalam perangkat molekular, muatan yang sama tetapi berlawanan harus disediakan di kedua ujung antarmuka molekular. Konsentrasi doping listrik dihitung menggunakan prosedur berikut:
Misalkan elektroda berukuran sekitar 1 nm panjang dan dengan luas penampang 0,5 nm × 0,5 nm. Untuk penyederhanaan perhitungan, kami telah mengambil nilai-nilai tersebut. Dalam editor skrip, kami telah menempatkan bagian untuk kalkulator elektroda dan menetapkan muatan = + 0,01 dan − 0,01. Untuk studi teoretis ini, paket perangkat lunak Atomistic Tool Kit-Virtual Nano-laboratory (ATK-VNL) telah digunakan. Perangkat lunak ini menggunakan pendekatan prinsip-pertama berbasis teori fungsi kepadatan (DFT) dan fungsi Green non-seimbang (NEGF). Nilai ini dihitung menggunakan rumus berikut:
Volume elektroda tetap sehingga dari Gambar 4, dapat diamati bahwa konsentrasi doping secara langsung proporsional terhadap tegangan bias yang diterapkan. Ini adalah alasan lain mengapa kami telah menjaga ukuran elektroda tetap. Perubahan kecil pada ukuran elektroda menyebabkan perubahan besar dalam konsentrasi doping listrik. Jadi dengan mengubah jumlah bias voltage yang sedikit kita dapat menghasilkan doping listrik yang sangat tinggi ke dalam sistem menggunakan pendekatan prinsip-pertama.
Ketergantungan doping listrik efektif pada tegangan bias yang diterapkan
Doping listrik dalam kasus ini sepenuhnya bergantung pada dua parameter terutama. Mereka adalah (1) muatan doping efektif (muatan yang diterapkan di kedua ujung elektroda) dan (2) volume perangkat nano. Oleh karena itu, rumus untuk menghitung doping listrik disebutkan sebagai doping/volume, jadi jika panjang, tinggi atau lebar atau salah satu parameter diubah, maka konsentrasi doping pasti berubah. Untuk jenis struktur perangkat ini, volume adalah fungsi dari panjang, tinggi, lebar [70].
Kedua suhu dan ketebalan mempengaruhi kinerja perangkat nano ini. Efek pemanasan sendiri bersama dengan kebisingan termal yang dihasilkan panas juga membuat perubahan pada fenomena transportasi kuantum-ballistik perangkat ini pada dimensi rendah ini. Oleh karena itu, suhu memainkan peran penting dalam kinerja perangkat. Di sisi lain, karena ketebalan terkait dengan volume perangkat dan doping efektif secara langsung terkait dengan volume, ketebalan juga mempengaruhi kinerja perangkat. Jika ketebalan berubah, maka sesuai volume berubah yang mengakibatkan perubahan konsentrasi doping. Konsentrasi doping terkait secara langsung dengan kinerja perangkat seperti konduktivitas saluran, karakteristik arus–tegangan, dll. untuk perangkat nano ini. Oleh karena itu, doping berubah karena ketebalan berubah yang pasti akan mengubah kinerja perangkat [70].
Evolusi Doping Listrik
Doping berarti penambahan atom impuritas eksplisit ke dalam semikonduktor. Doping adalah penambahan sengaja atom ke dalam semikonduktor intrinsik untuk memodulasi properti listrik semikonduktor intrinsik. Ukuran elektroda dimasukkan dalam editor skrip, di mana kami menetapkan panjang elektroda sebagai 1 nm dan penampang 0,5 nm × 0,5 nm. Jadi, muatan nominal, yaitu, ± 0,01, ditetapkan untuk dua elektroda. Skrip ini diproses melalui manajer tugas, dan nilai doping yang dihitung untuk elektroda diperoleh. Untuk perhitungan ini kami mengikuti langkah-langkah berikut:
Buka Kalkulator Baru dan pilih “ATK-SE: Extended Hückel (Device).”
Hapus centang “No SCF iteration.”
Jaga mesh cutoff menjadi 10 Hartree.
Di bawah “Poisson Solver” set kondisi batas “Neumann” along arah A(X) dan B(Y).
Gambar 5 menunjukkan bentuk gabungan dari studi perbandingan antara doping listrik dan proses doping konvensional (menggunakan Fe dan Ni). Eksperimen analitis ini diamati untuk struktur nanowtub timin yang merupakan contoh doping listrik [70]. Atom Fe dan Ni dipilih untuk di-dope ke dalam nanowtub timin, dan di sisi lain, molekul di-dope listrik [70]. Semua hasil ini menunjukkan bahwa jumlah doping listrik jauh lebih besar dibandingkan dengan doping konvensional untuk jumlah bias yang sedikit. Beberapa contoh pekerjaan doping listrik beserta beberapa keuntungannya dibandingkan dengan doping konvensional dibahas dalam Tabel 2. Ini memberikan studi perbandingan perangkat yang di-dope listrik dengan pemodelan perangkat yang ada yang mengikuti metode doping konvensional. Ada beberapa jenis doping, dan dopan yang tersedia, misalnya, doping konvensional (dengan menambahkan impuritas), doping listrik, co-doping. Secara umum, dua jenis dopan yang tersedia untuk proses doping konvensional, dopan p-type dan dopan n-type. Mereka sering disebut sebagai atom impuritas penerima dan donor. Impuritas eksternal ini ditambahkan ke bahan semikonduktor untuk meningkatkan properti listrik mereka terutama konduktivitas. Dalam kasus proses doping listrik, terutama untuk pemodelan analitis menggunakan pendekatan ATK-VNL, kita tidak melanjutkan dengan penambahan atom asing. Alih-alih doping atom eksplisit ini, kita fokus pada perubahan selisih potensial di kedua ujung perangkat (utama di ujung elektroda). Doping semikonduktor bersama dengan zat lain dikenal sebagai co-doping. Misalnya, ketika Co dan N keduanya ditambahkan ke nanowire MoO2, itu akan meningkatkan kinerja elektronik nanowire ini [128,129,130]. Berbagai properti seperti elektronik, optik dan morfologi film tipis molekular polyfuran (PF) yang di-dope p diselidiki oleh peneliti menggunakan berbagai rasio doping dengan metode doping listrik. Ketika konsentrasi doping ≤ 2%, maka meningkatkan arus pendek sirkuit perangkat fotovoltaik berbasis PF ini secara signifikan [44].
Diagram perbandingan pada berbagai doping listrik bersama dengan doping konvensional Fe dan Ni
Jika kita melihat konsentrasi doping dari Gambar 6, kita dapat mengamati bahwa sebelum tahun 2000, konsentrasi doping tinggi, tetapi setelah itu, itu menjadi lebih rendah. Oleh karena itu, dapat ditekankan bahwa meskipun kinerja perangkat telah ditingkatkan, konsentrasi doping berkurang sangat cepat [124, 128, 134,135,136].
Grafik konsentrasi doping berdasarkan tahun
Proses doping optik dan listrik juga diperkenalkan ke dalam silikon dengan holmium pada tahun 1999. Status hibridisasi antar molekular juga diatur oleh proses doping listrik. Didirikan bahwa untuk semikonduktor organik, doping listrik molekular ditemukan bertentangan ketika metode lain telah terbukti dalam bidang ini, misalnya, pembentukan polaron. Oleh karena itu, tujuan utama dari studi ini adalah untuk mengusulkan keadaan yang berasal dari polaron dengan energi ionisasi yang berkurang menggunakan spektroskopi fotoelektro ultraviole [134]. Profil doping listrik dalam kapasitor film ferroelektrik diteliti oleh sekelompok peneliti menggunakan pengukuran kapasitansi–tegangan. Dalam studi eksperimental ini, efek profil konsentrasi doping listrik dalam ferroelektrik diteliti menggunakan efek berikut dari
Permitivitas yang bergantung pada medan dan spasial.
Analisis perpindahan domain dari profiling Schottky [135].
Dari Gambar 7, kita dapat mengamati suhu operasi untuk jenis operasi perangkat bergantung doping ini. Meskipun grafik sedikit kompleks, ia tidak mematuhi aturan tertentu. Oleh karena itu, kita dapat menyimpulkan bahwa kebutuhan suhu sepenuhnya bergantung pada jenis bahan yang digunakan untuk operasi ini.
Suhu untuk doping
Model baru diusulkan untuk dissosiasi atom karbon di antara antarmuka lapisan molekular tembaga/silika menggunakan jaringan grafen hidrogen katalitik dengan metode doping listrik semipermanen. Proses ini memungkinkan doping elektronik yang stabil melalui ikatan C–N. Selain itu, efek keadaan jebakan pada doping listrik untuk semikonduktor organik juga diteliti. Proses transfer muatan langsung dari keadaan jebakan molekul induk ke molekul dopan meningkatkan efek listrik untuk semikonduktor organik. Jenis proses doping ini meningkatkan konduktivitas. Oleh karena itu, kepadatan jebakan dan energi juga dianalisis menggunakan spektroskopi impedansi [136].
Dapat diamati jelas dari Gambar 8 bahwa ketebalan lapisan wafer berkurang tahun demi tahun. Semakin lama waktu, ketebalan lapisan berkurang, dan kinerja perangkat meningkat.
Ketebalan wafer
PFO (poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)) yang di-dope listrik dan tidak di-dope bersama dengan film tetrafluorotetracyanoquinodimethane disusun menggunakan metode spektroskopi fotoelektron dan juga menyelidiki karakteristik arus–tegangan mereka. Jadi, dapat diamati bahwa wilayah depleksi dibuat untuk antarmuka PFO. Oleh karena itu, arus meningkat secara berturut-turut [137, 138]. Untuk sensor gas suhu tinggi, metode doping ini memainkan peran penting. Konduktivitas dan sensitivitas gas film tipis Ga2O3 diteliti. Terlihat bahwa konsentrasi doping ini mempengaruhi sensitivitas permukaan [138].
Dari Gambar 9, terlihat bahwa panjang gelombang pemotongan perangkat menurun secara tajam dalam beberapa dekade. Oleh karena itu, kinerja perangkat meningkat secara signifikan. Tabel 3 memberikan pandangan mendalam pada berbagai karakteristik perangkat yang mengikuti prosedur doping listrik atau konvensional.
Panjang gelombang perangkat berkurang
Dalam survei ini, kami telah meninjau karya yang telah ditetapkan menggunakan proses doping listrik. Dalam karya kami, kami menggunakan proses doping listrik menggunakan paket simulasi perangkat lunak Quantumwise dalam lingkungan ATK-VNL. Versi perangkat lunak ini adalah 13.8.0. Simulasi perangkat lunak ini didasarkan pada formalisme prinsip-pertama yang lagi kuat didukung oleh formalisme DFT dan NEGF. Quantumwise adalah seperangkat alat pemodelan skala atom yang kompak. Alat-alat ini dikembangkan pada tahun 2003 oleh beberapa profesional perangkat lunak bersama dengan akademisi. Mesin simulasi ATK-VNL ini membantu kita untuk menghitung struktur elektronik serta untuk merumuskan interkorelasi orbital atom. Platform ini membantu kita untuk memperkenalkan doping listrik ke dalam tingkat molekular.
Kesimpulan
Laporan ini secara singkat mengilustrasikan perbandingan antara proses doping konvensional dan doping listrik. Meskipun proses doping listrik bukan proses yang sangat baru, implementasi proses ini dengan bantuan pendekatan prinsip-pertama berbasis DFT- dan NEGF memberikan twist baru pada fenomena ini. Oleh karena itu, doping listrik harus diimplementasikan dalam banyak pendekatan pemodelan molekular untuk membawa era baru dalam nanoelektronika. Studi ini mengambil pandangan mendalam pada fenomena doping listrik seperti mengapa itu penting, bagaimana itu bekerja untuk pendekatan pemodelan molekular, perhitungan konsentrasi doping listrik, dll. Oleh karena itu, kami memberikan studi perbandingan antara doping listrik dan proses doping konvensional untuk molekula acepromazine. Untuk menyimpulkan, ditekankan bahwa di masa depan ini adalah salah satu pendekatan yang akan membuktikan dirinya di bidang pemodelan perangkat nano.
