p Os materiais monocristalinos podem ser usados ​​para o projeto de junção p-n de baixa dimensão? Este é um problema aberto e antigo. Simulações microscópicas baseadas no teorema de Bloch generalizado mostram que em nanofios de Si cristalinos simples, uma torção axial pode levar à separação de dopantes tipo p e tipo n ao longo da dimensão radial do nanofio, e, assim, realiza a junção p-n. Uma análise de ligação orbital revela que isso é devido à tensão de cisalhamento não homogênea induzida por torção no nanofio. p Se um cristal semicondutor for dopado com dopantes tipo n em uma região e com dopantes tipo p em outra região, uma configuração de junção p-n é formada. Junções P-n são unidades fundamentais de diodos emissores de luz, células solares e outros transistores semicondutores. As junções P-n em nanoestruturas também devem ser as unidades fundamentais dos nano dispositivos da próxima geração. Contudo, devido à forte atração entre eles, Os dopantes do tipo n e os dopantes do tipo p tendem a formar pares neutros. Como resultado, a junção p-n falha. Para evitar essa atração entre dopantes tipo n e dopantes tipo p, heteroestruturas são introduzidas, onde um material semicondutor é dopado com dopantes tipo n, enquanto o outro é dopado com dopantes tipo p, e a interface entre dois materiais semicondutores diferentes atua como uma barreira de energia entre os dopantes do tipo n e os do tipo p. De fato, o uso de heteroestruturas representa um paradigma para o design de materiais da junção p-n. Recentemente, configurações de junção p-n semelhantes também são possíveis para heteroestruturas de nanofios, como nanofios coaxial core-shell. Contudo, existem várias limitações em heteroestruturas de nanofios. Por exemplo, a síntese de nanofios core-shell geralmente envolve um processo de duas etapas, que custa uma despesa extra. Freqüentemente, a casca da heteroestrutura de nanofio obtida é policristalina. Essa imperfeição vai mal com os transportes de transportadoras. Além disso, a interface entre o núcleo e a casca também apresenta centros profundos prejudiciais que dificultam em grande parte a eficiência do dispositivo.

p Podemos fazer junções p-n com nanofios monocristalinos? Francamente, a resposta será "Não" se pensarmos no problema intuitivamente. De fato, semelhante ao volume, Os dopantes do tipo p e do tipo n em um nanofio cristalino único codopado também sentem uma forte atração de Coulomb. Sem uma interface, como podemos superar essa atração? Requer uma modulação / controle eficaz dos locais de ocupação espacial, ou seja, distribuição espacial, de dopantes. Na verdade, esta é uma das questões fundamentais e de longa data com relação ao doping em semicondutores. Do ponto de vista da engenharia de materiais, isso pode ser atribuído ao fracasso de abordagens convencionais, como hidrostática, Tensões biaxiais e uniaxiais na modulação da distribuição espacial de dopantes. Contudo, uma vez que todas essas distorções mencionadas são uniformes, podemos empregar alguns não homogêneos, como torcer? Na verdade, a torção de estruturas representa um foco de pesquisas recentes da física da matéria condensada em dimensões baixas.

p Em um novo artigo publicado em National Science Review , uma equipe de cientistas da Universidade Normal de Pequim, a Universidade Chinse de Hong Kong, e o Centro de Pesquisa em Ciência Computacional de Pequim apresentam seus avanços teóricos do nanofio de Si codificado sob torção. Eles empregam simulações microscópicas baseadas no teorema de Bloch generalizado e modelagem analítica baseada na teoria dos orbitais de ligações para conduzir o estudo e fornecer a física por trás disso.

p Interessantemente, a torção tem impacto substancial na distribuição de dopantes em nanofios. Pela figura exibida, em um nanofio de Si torcido, um dopante de tamanho atômico maior (como Sb) tem uma energia de formação mais baixa se ocupar um sítio atômico mais próximo da superfície do nanofio; Ao contrário, um dopante de tamanho atômico menor (como B) tem uma energia de formação mais baixa se ocupar um atomicito em torno do núcleo do nanofio. De acordo com seus cálculos, é possível separar dopantes tipo n e tipo p no nanofio codificado com escolhas adequadas de pares codop, por exemplo., B e Sb. Uma análise do orbital da ligação revela que é a deformação de cisalhamento não homogênea induzida por torção ao longo da dimensão radial do nanofio que impulsiona a modulação efetiva. Essas descobertas são totalmente suportadas por simulações do teorema de Bloch generalizadas baseadas na ligação funcional de densidade.

p Esta nova estratégia simplifica muito o processo de manufatura e reduz os custos de manufatura. Se a torção for aplicada quando o dispositivo estiver em modo de funcionamento, a recombinação de diferentes tipos de dopantes é amplamente suprimida. Mesmo se a torção for removida quando o dispositivo estiver em modo de funcionamento, devido à difusão limitada, a recombinação ainda é difícil.