Les matériaux monocristallins peuvent-ils être utilisés pour la conception de jonctions p-n de faible dimension ? C'est un problème ouvert et de longue date. Des simulations microscopiques basées sur le théorème généralisé de Bloch montrent que dans les nanofils de Si monocristallin, une torsion axiale peut conduire à la séparation des dopants de type p et de type n le long de la dimension radiale du nanofil, et réalise ainsi la jonction p-n. Une analyse orbitale de liaison révèle que cela est dû à la contrainte de cisaillement inhomogène induite par la torsion dans le nanofil.

Si un cristal semi-conducteur est dopé avec des dopants de type n dans une région et avec des dopants de type p dans une autre région, une configuration de jonction p-n est formée. Les jonctions P-n sont des unités de construction fondamentales des diodes électroluminescentes, cellules solaires et autres transistors semi-conducteurs. On s'attend également à ce que les jonctions P-n dans les nano-structures soient les unités fondamentales des nano-dispositifs de la prochaine génération. Cependant, en raison de la forte attraction entre eux, Les dopants de type n et les dopants de type p ont tendance à former des paires neutres. Par conséquent, la jonction p-n échoue. Pour éviter une telle attraction entre les dopants de type n et les dopants de type p, des hétérostructures sont introduites, où un matériau semi-conducteur est dopé avec des dopants de type n tandis que l'autre est dopé avec des dopants de type p, et l'interface entre deux matériaux semi-conducteurs différents agit comme une barrière énergétique entre les dopants de type n et les dopants de type p. En effet, l'utilisation d'hétérostructures représente un paradigme pour la conception matérielle de la jonction p-n. Récemment, des configurations de jonction p-n similaires sont également possibles pour les hétérostructures de nanofils telles que les nanofils coaxiaux noyau-enveloppe. Cependant, il existe plusieurs limitations dans les hétérostructures de nanofils. Par exemple, la synthèse de nanofils cœur-coquille implique généralement un processus en deux étapes, ce qui coûte des frais supplémentaires. Souvent, l'enveloppe de l'hétérostructure de nanofils obtenue est polycristalline. Une telle imperfection va mal avec les transports des porteurs. Par ailleurs, l'interface entre le noyau et la coque introduit également des centres profonds préjudiciables qui entravent largement l'efficacité de l'appareil.

Peut-on réaliser des jonctions p-n avec des nanofils monocristallins ? Franchement, la réponse sera "Non" si l'on pense intuitivement au problème. En effet, semblable à la masse, Les dopants de type p et les dopants de type n dans un nanofil monocristallin codopé ressentent également une forte attraction coulombienne. Sans interface, comment surmonter une telle attirance ? Elle nécessite une modulation/contrôle efficace des sites d'occupation spatiale, c'est à dire., Distribution spatiale, de dopants. En réalité, c'est l'un des problèmes de longue date et fondamentaux concernant le dopage dans les semi-conducteurs. Du point de vue de l'ingénierie des matériaux, cela peut être attribué à l'échec des approches conventionnelles telles que l'hydrostatique, contraintes biaxiales et uniaxiales sur la modulation de la distribution spatiale des dopants. Cependant, puisque toutes ces distorsions mentionnées sont uniformes, pouvons-nous en employer des inhomogènes, comme la torsion? En réalité, la torsion des structures représente un axe de recherche récente en physique de la matière condensée en petites dimensions.

Dans un nouvel article publié dans Revue scientifique nationale , une équipe de scientifiques de l'Université normale de Pékin, l'Université chinoise de Hong Kong, et le Centre de recherche en sciences informatiques de Pékin présentent leurs avancées théoriques sur les nanofils de silicium codés sous torsion. Ils utilisent à la fois des simulations microscopiques basées sur le théorème de Bloch généralisé et une modélisation analytique basée sur la théorie des orbitales de liaison pour mener l'étude et fournir la physique derrière.

De façon intéressante, la torsion a un impact substantiel sur la distribution des dopants dans les nanofils. A partir de la figure affichée, dans un nanofil de Si torsadé, un dopant de plus grande taille atomique (tel que Sb) a une énergie de formation plus faible s'il occupe un site atomique plus proche de la surface du nanofil ; A l'opposé, un dopant de plus petite taille atomique (tel que B) a une énergie de formation plus faible s'il occupe un site atomique autour du noyau du nanofil. D'après leurs calculs, il est possible de séparer les dopants de type n et de type p dans le nanofil codé avec des choix appropriés de paires de codopage, par exemple., B et Sb. Une analyse orbitale de liaison révèle que c'est la déformation de cisaillement inhomogène induite par la torsion le long de la dimension radiale du nanofil qui entraîne la modulation efficace. Ces résultats sont entièrement étayés par des simulations généralisées du théorème de Bloch basées sur la densité fonctionnelle.

Cette nouvelle stratégie simplifie largement le processus de fabrication et réduit les coûts de fabrication. Si la torsion est appliquée lorsque l'appareil est en mode de fonctionnement, la recombinaison de différents types de dopants est largement supprimée. Même si la torsion est supprimée lorsque l'appareil est en mode de fonctionnement, en raison de la diffusion limitée, la recombinaison est encore difficile.