Dispositifs nanométriques dopés électriquement utilisant l'approche du premier principe :une enquête complète

Introduction

Le dopage joue un rôle crucial dans la détermination des caractéristiques physiques et leurs applications de divers matériaux organiques ou inorganiques, en particulier pour les semi-conducteurs. Cette méthode a été prouvée avec succès pour l'industrie de la physique des semi-conducteurs. Une petite quantité d'ajout d'impuretés détermine la concentration de dopant et les conductivités électriques des matériaux. On observe qu'un dopant idéal doit présenter une solubilité idéale dans son matériau hôte, et il présente également un faible niveau de défaut. Cependant, certains problèmes de base sont liés à ce type de processus de dopage conventionnel, par exemple, le goulot d'étranglement du dopage qui affecte puissamment les performances de l'appareil. Ce type de dégradation des performances a été sévèrement observé pour les matériaux à large bande interdite.

Par exemple, dans le cas des minima du dispositif à bande de conduction élevée, le dopage de type n est difficile, alors que pour les maxima du dispositif à bande de faible valence est également compliqué [1, 2]. Par conséquent, certains problèmes se posent pour le processus de dopage bipolaire dans les semi-conducteurs à large bande. Il est observé que des dopants de type p ou de type n peuvent être insérés mais pas ensemble [3]. Par conséquent, pour pallier ce type de problème, une solution réalisable a été intégrée dans le domaine du dopage. Ce type d'approche proposée est connu sous le nom de dopage électrique, qui ne dépend pas de ce type de dopage bipolaire. Le dopage électrique a été introduit pour résoudre les problèmes de dopage bipolaire. À la fin des années 1980 et 1990, les chercheurs ont observé que les composés III-V comme un monocristal de GaN sont difficiles à cultiver. Plus encore, pour une utilisation commerciale, les substrats de GaN étaient également indisponibles à l'époque de la fin des années 1990. La raison derrière cela a été expliquée de telle manière que la différence entre les constantes de réseau et les coefficients de dilatation thermique du substrat en saphir et du semi-conducteur GaN rendait difficile la croissance d'une couche épitaxiale à base de GaN de haute qualité sur le substrat en saphir. D'un autre côté, il était presque impossible d'obtenir un semi-conducteur GaN de type p en raison des combinaisons d'une concentration de fond élevée de type n et d'une faible activité de dopage de type p. Ce problème peut être considérablement surmonté en utilisant le phénomène de dopage électrique par Rudaz en 1998. À la fin des années 1980, les scientifiques ont découvert l'importance de la croissance des couches tampons GaN ou AlN pour démontrer la LED à base de GaN à basse température. Le processus de recuit thermique post-croissance aide à activer la croissance de dopants de type p dans les couches tampons GaN. Ces avancées ont accéléré la croissance du développement de dispositifs du système de matériaux semi-conducteurs à base de nitrure III-V pour les dispositifs optoélectroniques à large bande [4]. Le substrat GaN et le processus de recuit thermique post-croissance jouent également un rôle important dans cette technique [5,6,7]. Depuis quelques décennies, la technologie de gravure au plasma joue un rôle important dans la technologie à très grande échelle (ULSI) pour réduire la taille du motif. Cela nous a conduit à l'évolution de la nanotechnologie. Dans le même temps, la technologie plasma était confrontée à certains problèmes inhérents, par exemple ; accumulation de charge, rayonnement UV photonique et performances de gravure pour les dispositifs à l'échelle nanométrique. Pour éliminer ces problèmes et fabriquer des dispositifs pratiques à l'échelle nanométrique, le processus de gravure par faisceau neutre est entré dans le domaine. S. Samukawa a présenté ces sources de faisceau neutres et a également parlé de la combinaison du traitement descendant et ascendant pour les dispositifs nanométriques potentiels. La technologie des faisceaux neutres est exécutée sans dommage car elle est utilisée de manière atomique. En utilisant cette technique, la modification de surface des matériaux inorganiques et organiques peut également être effectuée. Cette technique est un concurrent capable pour la technologie de fabrication pratique pour les futurs nanodispositifs [8]. Cette technologie plasma haute densité comprend le plasma à couplage inductif (ICP) et le plasma à résonance cyclotron électronique (ECR), qui sont les méthodes clés pour la mise en œuvre de cette technique plasma. Mais il y a plusieurs problèmes associés à cette technique, tels que

• Divers types de rayonnement peuvent endommager l'accumulation de charge des ions positifs et des électrons [8,9,10,11,12].

• Le rayonnement ultraviolet (UV), ultraviolet sous vide (VUV) peut également endommager les appareils à l'échelle nanométrique.

• Les photons de rayons X peuvent également provoquer la rupture de dispositifs nanométriques lors de ce problème de gravure au plasma [13,14,15,16,17,18,19,20,21].

• En raison de l'accumulation de charge due à la génération de tension, les trajectoires d'ions de distorsion entraînent également la rupture de minces films d'oxyde de grille.

• En plus de ceux-ci, les photons UV ou VUV rayonnant de la technique de gravure plasma haute densité conduisent à générer des défauts cristallins.

Ces problèmes dégradent fortement les propriétés électriques des dispositifs nanométriques. Par conséquent, ces problèmes peuvent être évités en utilisant un système de gravure à faisceau neutre haute performance. S. Samukawa et son groupe ont inventé une source de faisceau neutre très efficace pour réaliser la gravure descendante ultime pour les futurs dispositifs nanométriques. Ils ont introduit les processus de gravure ultimes pour les futurs dispositifs nanométriques de 50 nm à moins de 10 nm en utilisant nos nouvelles sources de faisceaux neutres.

Cette lettre est donc organisée comme suit. Dans un premier temps, la feuille de route historique du dopage électrique est brièvement passée en revue. Après cela, nous passerons en revue certains travaux expérimentaux au niveau moléculaire, car ce processus de dopage a également un impact sur le niveau moléculaire. Ensuite, nous donnons de brèves discussions sur une variété de travaux de recherche associés au processus de dopage électrique. Certaines des importances du dopage électrique sont décrites dans la section suivante. De plus, nous décrivons la méthode du processus de dopage électrique. Enfin, nous conclurons par la brève discussion de l'étude comparative entre dopage conventionnel et dopage électrique.

Feuille de route historique du dopage électrique

Bien que cette étude se concentre principalement sur le dopage électrique au niveau moléculaire, il est important de passer d'abord en revue les débuts du dopage conventionnel. En 1930, on a remarqué que la conductivité des semi-conducteurs était affectée en raison de la présence d'un petit nombre d'impuretés [2, 22, 23]. En 1931, le premier formalisme quantique-mécanique a été utilisé pour les matériaux semi-conducteurs [24]. Le prototype d'une jonction p–n a été démontré avec succès par Davydov en 1938 [25, 26]. Cet article expliquait l'importance des porteurs minoritaires. Woodyard a introduit le concept de « dopage ». Il a incorporé une petite portion de phosphore, d'arsenic ou d'antimoine dans du germanium pur. Cet ajout d'impureté augmente les propriétés électriques du germanium [27]. Shockley a proposé son invention historique, c'est-à-dire le "transistor de jonction" en 1949. Cette invention modifie la géométrie de l'industrie des semi-conducteurs [28]. Bien que l'invention de la jonction bipolaire ait provoqué un tsunami dans l'évolution de l'industrie des semi-conducteurs, elle présentait également plusieurs problèmes liés aux transistors. Par exemple, deux couches p–n doivent être reliées dos à dos dans un espace mince. Ce problème a été éliminé après l'invention du "transistor à jonction cultivée" au laboratoire Bell en 1950 en utilisant une méthode de double dopage [29, 30]. Dans le cas du procédé de « double dopage », une pincée de gallium a été ajoutée au germanium de type n fondu, qui a transformé le germanium en type p. Par la suite, une pincée d'antimoine y a été incluse, ce qui le transforme en type p de nouveau en type n [31]. Deux types de dopants ont été ajoutés dos à dos dans ce processus. Il existe un autre type de dopage qui a évolué au début des années 1950, appelé « co-dopage ». Les jonctions p et n sont considérées comme du « co-dopage » d'un semi-conducteur. Le dopage au niveau moléculaire est également une partie importante du dopage électrique. En 1998, Rudaz a proposé une méthode pour maximiser l'effet du dopage électrique en réduisant la fissuration des matériaux pour les semi-conducteurs III-V [4]. En 2002, Zhou et al. a démontré une diode électroluminescente organique transparente déposée sous vide qui est également un dispositif basse tension en utilisant le processus de dopage électrique. Le dopage électrique joue un rôle crucial pour améliorer les performances des dispositifs organiques. L'injection de porteurs dopés électriquement a lieu pour les LED organiques (OLED). Les couches de transport présentent de faibles tensions d'entraînement, qui sont généralement dues aux anions radicaux, aux cations et aux contacts ohmiques à l'extrémité des interfaces des électrodes. Les OLED ultra-basse tension sont déposées sous vide avec 2,6 V pour 100 cd/m ² dans la structure p–i–n. Par conséquent, une émission intrinsèque est prise en sandwich entre les couches de transport à large bande interdite de type p et n. Les activités liées au dopage électrique dans les films moléculaires organiques sont soulignées dans quelques études [32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42].

C'est l'une des procédures permettant d'éviter le processus de bombardement ionique dans l'approche de conception de dispositifs à l'échelle atomique. Gao et Kahn [43] ont démontré ce processus sur les couches minces moléculaires. Ces composés par exemple un polymère de polycarbonate avec de l'hexachloroantimonate de tris(4-bromophényl)aminonium (TBAHA) 4,4',4'-tris(3-méthylphénylphénylamino)-triphénylamine (m-MTDATA) couche de transport de trous p dopé avec F4-TCNQ sont utilisés pour fabriquer avec succès diverses couches de dispositifs composés OLED [45, 46]. Ce procédé a également été utilisé dans les cellules photovoltaïques organiques (OPVC). Ce processus a également été utilisé pour le réglage au niveau moléculaire et également pour améliorer l'amélioration de l'efficacité du dispositif par injection de porteur. La conductivité du film moléculaire augmente dans une large mesure pour le dopage de type n et p en utilisant ce procédé. Ce procédé de dopage est largement utilisé pour les contacts ohmiques sur semi-conducteurs inorganiques [43,44,45,46]. De nos jours, les LED organiques contiennent des images efficaces dans le domaine de la nanotechnologie moléculaire. Dans les semi-conducteurs III-V, l'utilisation de ce processus de dopage des contacts de type n et l'insertion de molécules externes de type n peuvent être rendues possibles. Le dopage électrique contribue également à rendre possible le phénomène comme la résistance électrique, l'insertion de porteurs, la recombinaison de porteurs dans la couche d'interface moléculaire. La cellule photovoltaïque organique (OPVC) est l'une des applications les plus pertinentes du phénomène de dopage électrique. Dans le processus d'alignement de niveau pour OPVC, ce processus agit sur la conductivité de ces cellules. L'insertion de porteurs de charge est finalement augmentée par cette méthode. Dans le cas des interfaces méta-organiques, cette méthode commence et amène à l'agencement d'une couche d'appauvrissement à travers laquelle la transmission par effet tunnel quantique peut avoir lieu. C'est l'un des processus efficaces qui peuvent être utilisés efficacement pour la fabrication de contacts organiques et inorganiques. Ce processus permet également de déplacer les niveaux de neutralité de charge pour les films minces moléculaires. En plus de cela, environ 0,1 à 1 % de molécules étrangères peuvent être incluses en utilisant cette méthode aux interfaces moléculaires. Cette quantité de concentration de dopage est un grand nombre pour la méthode de dopage conventionnelle. Ce niveau de concentration de dopage contribue à générer des semi-conducteurs dégénérés. Cette concentration élevée de dopage permet d'éviter la formation ultérieure de bandes induites par la pratique [34, 43, 44, 45, 46].

Processus de dopage électrique et son importance

La principale et principale technique choisie pour la méthode de dopage électrique est de contrôler le niveau de Fermi à l'aide de ce procédé. Par conséquent, cette technique est très populaire parmi les semi-conducteurs inorganiques et organiques au cours des dernières décennies. Le dopage électrique au cours des dernières années a attiré une attention particulière dans le domaine des nanotechnologies bioinspirées. Le dopage électrique est le processus d'insertion ou d'acceptation de charges électroniques dans des films moléculaires. La caractéristique clé de ce processus est que le dopage n et p conventionnel ne peut pas être contraint pour accomplir la bipolarité. Le processus d'ionisation conventionnel n'est pas appliqué pour ce type de processus de dopage électrique [43,44,45,46]. La procédure de dopage électrique a été introduite pour éviter le bombardement ionique, ce qui n'est généralement pas possible pour la modélisation de dispositifs à l'échelle nanométrique.

Cette méthode de dopage a été déterminée principalement en deux étapes :

• La première étape consiste en un seul transfert d'électrons d'un donneur à un accepteur (en molécules).

• Deuxièmement, il est associé à la méthode de dissociation du complexe de transfert de charge entier à l'état fondamental.

Ainsi, il est confirmé que le dopage électrique n'est rien d'autre qu'un déplacement du niveau de Fermi soit vers le niveau moléculaire occupé le plus élevé (bande de valence) soit vers l'état moléculaire inoccupé le plus bas (bande de conduction). Si le transporteur gratuit est ρ , N _A ⁻ est la densité de dopant ionisé, N _A est la concentration de dopant neutre, alors la densité de porteurs libres doit être formulée comme dans l'Eq. (1). Dans cette équation, E _A et E _F sont les énergies de l'accepteur et de Fermi et K _B est la constante de Boltzmann à la température absolue T [124].

Cette technique de dopage a été réalisée à l'aide de techniques de conception à deux sondes dans Atomistix Tool Kit-Virtual Nano Lab (ATK-VNL). Le nombre de dispositifs atomistiques bioinspirés est au cœur des nanotechnologies. Ces appareils fonctionnent à une fréquence THz ultra-élevée. La fréquence qui est calculée pour ces appareils est d'environ THz. Par exemple, dans un article, où les caractéristiques de transport pour la jonction tunnel semi-conductrice GaAs-Adénine-GaAs sont illustrées. Dans cet article, la fréquence de fonctionnement est d'environ 25 THz [125].

Le dopage est une induction intentionnelle d'impuretés externes dans un matériau semi-conducteur pur en raison de performances électriques améliorées. L'importance du processus de dopage électrique peut être décrite comme suit.

Cette procédure de dopage électrique est différente du processus de dopage conventionnel. Dans le cas du procédé de dopage classique, le matériau semi-conducteur est dopé avec des dopants ou impuretés extrinsèques. Ce processus est le processus à haute température. Il existe un risque de rupture des liaisons pouvant survenir au cours de ce processus de dopage à haute température. La méthode d'ionisation est également adoptée pour mettre en œuvre cette méthode de dopage. D'autre part, le processus de dopage électrique n'est pas du tout lié aux impuretés. Comme dans cette procédure, des charges de potentiel opposé sont induites aux deux extrémités du dispositif. Par conséquent, cela générera une baisse potentielle de la région moléculaire centrale du nanodispositif. Cette méthode est très utile pour la conception de nanodispositifs car la méthode d'ionisation peut générer une déformation structurelle des nanomatériaux. Dans le cas du dopage conventionnel, plusieurs problèmes peuvent survenir. Certains des problèmes majeurs sont répertoriés dans le tableau 1. La différenciation entre le dopage conventionnel et électrique est encadrée dans le tableau 1, et cela aide également à comprendre en quoi le dopage électrique est important pour la fabrication de dispositifs à l'échelle nanométrique.

Ce tableau 1 montre pourquoi le dopage électrique est important pour le niveau moléculaire. Ce dopage évite la génération de chaleur, la réaction interatomique ou intermoléculaire et est compatible avec tout type de procédure de conception de dispositifs nanométriques.

Dans cet article, le processus de dopage électrique est principalement mis en évidence. Cette méthode de dopage est utile pour la fabrication de dispositifs à l'échelle nanométrique, principalement la préparation de films minces moléculaires. Dans cette méthode, l'insertion de porteurs de charge a lieu aux deux extrémités du dispositif moléculaire. Ce processus est également représenté sur la figure 1. Ce schéma représente la méthode de dopage électrique simple. Cette figure montre également comment la chute de potentiel a été créée en raison de l'insertion de deux insertions de porteurs de charge égaux mais opposés aux deux bornes des électrodes. Ces électrodes sont la partie importante du dispositif moléculaire. L'insertion de charges peut se faire à travers ces électrodes. Cette charge égale et opposée crée une chute de potentiel dans la région moléculaire centrale. Cette chute de potentiel agit comme la force motrice de la conduction de charge entre deux électrodes, c'est-à-dire à travers la partie moléculaire centrale. C'est le véritable processus de dopage électrique. Bien que ce processus soit principalement utilisé de nos jours dans la modélisation analytique ou théorique de dispositifs à l'échelle nanométrique, il est également utile pour la préparation de couches minces moléculaires organiques et inorganiques.

Schéma de principe du processus de dopage électrique conceptuel

La figure 1 montre comment l'électron ou le porteur de charge circule d'une électrode vers une autre direction en raison de la chute de potentiel imposée en raison de la variation de polarisation aux deux bornes des électrodes.

Dopage électrique au niveau moléculaire

Récemment, des chercheurs se sont intéressés aux procédures de dopage contrôlé. Par conséquent, cette procédure de dopage électrique contribue à introduire un dopage contrôlé pour les semi-conducteurs inorganiques. Ainsi, il est également utile d'ajuster les propriétés électriques de ces semi-conducteurs en introduisant un dopage électrique. Ce phénomène de dopage permet d'ajuster le gap optique des semi-conducteurs avec leur variation chimique. Cette procédure de dopage est également un processus peu coûteux et utile pour les substrats flexibles.

La procédure de dopage électrique est la méthode par laquelle une différence de potentiel a été créée entre les deux extrémités du nanodispositif. Dans ce travail théorique [47,48,49,50,51,52], nous avons arrangé cela en fournissant une polarité différente mais une tension de même valeur aux deux extrémités du nanodispositif via des électrodes à deux sondes. Le schéma de principe de ce processus théorique est illustré à la figure 2.

Schéma de principe du processus de dopage électrique conceptuel (utilisant ATK-VNL)

Cette approche théorique est impliquée pour créer des régions positives (p+) et négatives (n+) hautement dopées, qui sont importantes pour concevoir des dispositifs nanosemiconducteurs pour les matériaux organiques et inorganiques.

En utilisant cette procédure, des porteurs de charge doivent être injectés dans les interfaces moléculaires. Le dopage électrique est un processus contrôlé pour les molécules organiques plutôt que pour les films minces inorganiques. Par conséquent, les dopants p et n conventionnels ne sont pas obligatoires pour l'insertion. Finalement, le dopage électrique augmente l'injection de porteurs et diminue la tension d'entraînement, ce qui entraîne une augmentation de l'efficacité du dispositif. Ainsi, la méthode de dopage électrique dépend uniquement de l'injection d'une transmission électronique ou d'une réception d'électrons à la molécule hôte.

La chaîne d'hétérojonction est constituée de biomolécules d'adénine et de thymine utilisées pour détecter plusieurs gaz lorsque la chaîne a traversé le nanopore d'une nanofeuillet de GaAs [47]. Dans ce cas, le dopage électrique est également induit au niveau des deux parties de cette nanofeuillet. En raison de l'inductance efficace, cette chaîne biomoléculaire montre sa capacité à détecter les molécules de gaz étrangères adsorbées [47]. Dans le cas de la conception de nanodispositifs, l'adsorption des molécules est également traitée. Par exemple, l'adsorption de molécules volatiles à une température de 32 °C dans un nanofil de ZnO est étudiée [53]. En utilisant l'approche du premier principe basée sur les formalismes DFT et NEGF, le nano-FET peut être conçu en utilisant diverses modifications structurelles. Diverses propriétés de ces nano-FET sont également observées, par exemple, l'évaluation de l'évolutivité, les écarts entre l'orbitale moléculaire la plus occupée et l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (HOMO-LUMO), le courant maximal pouvant être obtenu, les performances RF, l'étude de la linéarité [54,55,56, 57,58,59,60,61]. La diode moléculaire à base de co-oligomères conjugués peut être conçue en utilisant des formalismes basés sur DFT et NEGF. Les co-oligomères sont reliés à deux électrodes et forment une diode moléculaire. L'écart énergétique, les caractéristiques courant-tension (I-V), les orientations spatiales sont analysés pour cette diode [62]. L'approche du premier principe est appliquée aux nanostructures géométriquement optimisées de sept jonctions différentes qui sont dérivées de nanotubes de carbone (CNT) en utilisant différents lieurs [63]. Différents types de diodes peuvent être mis en œuvre en utilisant l'approche du premier principe basée sur les formules DFT et NEGF. Par exemple, les caractéristiques de la diode Schottky, de la diode moléculaire simple, de la diode à courant de spin, de la diode de spin bipolaire, de la diode moléculaire dibloc, de la diode arrière sont donc mises en œuvre en utilisant cette approche [64,65,66,67,68].

Travaux de recherche au niveau moléculaire basés sur le dopage électrique

Le dopage électrique au niveau moléculaire joue un rôle important en nanoélectronique. Les chercheurs sont très intéressés par l'introduction de cette procédure de dopage dans la procédure de conception de dispositifs à l'échelle nanométrique. L'effet de ce dopage permet d'interfacer entre différents niveaux moléculaires d'alignement. Ce processus est non seulement utile pour étudier le niveau moléculaire de l'hétérojonction organique, mais également acceptable pour les matériaux inorganiques. Ce dopage aide à la formation de l'interface à l'aide du dipôle et du mouvement équivalent en position comparative de l'interface moléculaire. Ainsi, ce processus de dopage électrique est acceptable pour l'alignement d'interface moléculaire.

La miniaturisation des appareils électroniques conventionnels est le domaine de recherche le plus émergent de nos jours. Il existe plusieurs approches qui conduisent à motiver les chercheurs à enquêter et à étudier la nature des dispositifs nanométriques. L'une des approches les plus importantes consiste à concevoir et à simuler des nanostructures analytiques. De nombreux dispositifs significatifs peuvent être conçus à l'aide de cette procédure de simulation et analyser les résultats obtenus [47, 55, 56]. En fonction du résultat, les chercheurs peuvent modifier les différents paramètres de simulation ainsi que les différents aspects du modèle analytique à l'échelle nanométrique. Parmi ces méthodes de simulation, l'approche du premier principe est le processus le plus efficace et le plus populaire. La modernisation des appareils électroniques encourage les chercheurs à innover les appareils conventionnels dans une version modifiée. Par exemple, les dispositifs semi-conducteurs traditionnels peuvent être conçus à l'aide de biomolécules. Dans le cas des biomolécules en général, des nucléobases telles que l'adénine, la thymine, la guanine et la cytosine ont été considérées, qui sont connues comme les éléments constitutifs de base de l'ADN [47, 55]. Il est très courant de construire des dispositifs à semi-conducteurs inorganiques conventionnels dans le domaine de la nanotechnologie. Cependant, il est difficile de construire des dispositifs électroniques organiques utilisant principalement des biomolécules. Ces semi-conducteurs sont caractérisés en fonction des propriétés de dopage. Si le semi-conducteur n'a pas de dopage d'impureté, il est alors appelé semi-conducteur intrinsèque ou pur. D'un autre côté, si le semi-conducteur est dopé avec des atomes ou des molécules étrangers, il est alors appelé semi-conducteur extrinsèque ou impur [55,56,57,58,59,60].

De nos jours, la conception de dispositifs à l'échelle nanométrique est un aspect difficile pour les chercheurs. Diode, transistor, portes logiques ont déjà été implémentées au niveau moléculaire. Il existe une autre possibilité pour les chercheurs de mettre en œuvre des dispositifs nanobiosemiconducteurs au niveau moléculaire. Certains de ces dispositifs biomoléculaires ont déjà été introduits dans le domaine de la biomédecine. La conception théorique de ces nanodispositifs a été mise en œuvre à l'aide de la version 13.8.0 du simulateur logiciel Quantumwise basé sur Atomistix-Tool Kit et Virtual Nano Laboratory (ATK-VNL) [69,70,71,72,73,74,75,76] . Même la logique des automates cellulaires quantiques (QCA) peut être théoriquement implémentée à l'aide d'une approche de premier principe basée sur la DFT et le NEGF [77]. Différentes portes logiques peuvent être conçues à l'aide de biomolécules, et les résultats obtenus à partir de ces implications théoriques ont également été validés à l'aide de Multi-Sim ou SPICE ou d'autres simulateurs [70]. Le processus de dopage électrique est la caractéristique clé qui est introduite pour obtenir un courant optimal. Le courant tunnel à travers le canal moléculaire est affecté par divers facteurs tels que l'effet de rétrodiffusion, etc. En mettant en œuvre ce processus de dopage, nous pouvons éviter les problèmes liés au processus de dopage conventionnel. Le modèle de combinaison de dipôles pour le réglage de barrière Schottky est également suggéré à l'interface métal-semiconducteur au niveau moléculaire [78]. L'approche du premier principe est également applicable pour les jonctions tunnel magnétiques, et leurs propriétés électroniques quantiques ont été analysées [79]. Pour calculer le courant de fuite à travers SiO₂ et SiO_x N_y MOSFET, les chercheurs ont utilisé une approche de premier principe basée sur DFT et NEGF [80]. Cette modélisation ab-initio est appliquée pour la modélisation du réglage de la hauteur de barrière Schottky en utilisant l'interface à l'échelle atomique d'yttrium et de siliciure de nickel [81]. L'effet tunnel direct de bande à bande dans un nanoruban à jonction p–n MOS2 polarisé en inverse peut être décrit à l'aide de DFT et NEGF [82]. L'effet de l'incorporation d'atomes dopants de polarités opposées dans le nanofil présente des propriétés électriques comme la diode Zener [83]. L'effet de filtrage à double spin peut être observé dans le nitrite d'yttrium semi-métallique YN₂ [84]. L'étude du FET biomoléculaire à hétérostructure peut être observée en utilisant cette technique de dopage électrique. Le transport balistique quantique peut être observé grâce à ce phénomène de dopage électrique au niveau moléculaire [85]. En utilisant cette approche théorique, un commutateur biomoléculaire dopé électriquement est conçu lors de l'utilisation de nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) comme électrodes [86]. Les formalismes NEGF aident à concevoir une diode tunnel résonante anti-dot à base de graphène [87]. Les caractéristiques atomiques des jonctions p–n bidimensionnelles du silicium ont été démontrées en utilisant l'approche du premier principe [88]. La diode et les transistors sont les éléments de base de tout circuit électronique. Les portes logiques peuvent également être mises en œuvre à l'aide de diodes et de transistors. Par conséquent, toute logique peut être implémentée en utilisant des formalismes de premier principe.

Dans la tendance récente des nanotechnologies, les chercheurs se sont intéressés à la conception et à la caractérisation des différentes caractéristiques électromécaniques des dispositifs bioinspirés et semi-conducteurs à l'échelle atomique. Ces dispositifs bioinspirés sont hautement biocompatibles et créent un pont entre le domaine des semi-conducteurs et le domaine de la recherche bi-moléculaire. La technologie CMOS est déjà saturée. Par conséquent, l'objectif des chercheurs est de les remplacer et de créer un pont entre eux. Plusieurs propositions ont déjà été avancées par les chercheurs pour associer la technologie CMOS à une technologie bioinspirée comme l'ADN ou toute autre biomolécule. Les parties importantes de l'ADN sont les bases azotées adénine, thymine, cytosine et guanine. Ces bases azotées ont constitué des composites avec des groupes sucre ribose et phosphate pour former un oligonucléotide. Cet oligonucléotide a des groupes phosphate comme squelette. Les corrélations pour les signaux dynamiques ont été améliorées pour l'identification des biomolécules et de l'ADN [89]. La translocation d'ADN, la transmission électronique et la modélisation semi-empirique à travers le nanopore de graphène peuvent également être rendues possibles théoriquement en utilisant DFT et NEGF [90,91,92,93]. L'analyse de l'ADN peut également être rendue possible avec des électrodes de graphène en utilisant une modélisation semi-empirique [94]. La reconnaissance des paires de bases d'acides nucléiques en utilisant les propriétés de transport transversal a également été rendue possible [95]. La conductance à travers l'ADN injecté a également été proposée par le groupe de chercheurs [96]. L'amélioration électronique par procédure de dopage des paires de bases d'ADN a également été incorporée pour améliorer la conductivité [97]. La promotion électronique a également été possible par le procédé de double transfert de protons [98]. La reconnaissance des nucléotides par la méthode de tunnel croisé a également été possible en utilisant l'approche du premier principe [99]. Les facteurs structurels contrôlent la conductivité de l'ADN, ce qui a également été discuté dans [100]. Les dispositifs nanométriques présentent un énorme phénomène de transport quantique pour différents types de modélisation de dispositifs nanométriques [56, 58, 59, 101,102,103,104,105,106,107]. Ces dispositifs comprennent des FET, des diodes et des commutateurs optiques [60, 68, 108,109,110,111,112,113,114,115,116]. Ce travail proposé est une approche pour faire un pont entre les biomolécules avec la technologie des semi-conducteurs III-V. L'hétérostructure des biomolécules et des matériaux nanocristallins III-V peut également être conçue en utilisant l'approche théorique du premier principe. De plus, les propriétés électriques et optiques du graphène co-dopé à l'azote et à l'or sont étudiées à l'aide de formalismes de premier principe. Le formalisme du premier principe est utilisé pour découvrir le changement des caractéristiques de la mécanique quantique et l'étude de diverses propriétés électroniques ou optiques des molécules organiques et inorganiques. Une enquête peut également être effectuée pour le graphène à vide et le graphène dopé au Mn vers le H₂ Absorption S. L'étude du ferromagnétisme utilisant l'approche du premier principe pour une monocouche d'AlN dopé par un métal de transition est également une tendance émergente. L'effet de dopage est étudié pour la monocouche MoS₂ l'utilisation de la DFT pour la lumière visible est un sujet de discussion important. 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 concentration = doping/volume [1, 70, 71]

• Assume, doping charge =  ± x V

• Assume that, volume = length (a ) × width (b ) × height (c ) = a  × b  × c

• Volume = (a  × 10 ^–7 ) × (b  × 10 ^–7 ) × (c  × 10 ^–7 ) cm ⁻³  = abc  × 10 ^–21 /cm ³

• 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.

Conclusion

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.

Disponibilité des données et des matériaux

All the data and material are available in the manuscript.

Abréviations

DFT:

Théorie fonctionnelle de la densité

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

CNT :

Nanotube de carbone

I–V :

Courant-tension

QCA:

Quantum cellular automata

YN₂ :

Yttrium nitrite

ATK-SE:

Atomistix Tool Kit-Semi-empirical