Kan enkristallina material användas för lågdimensionell p-n-övergångsdesign? Detta är ett öppet och långvarigt problem. Mikroskopiska simuleringar baserade på den generaliserade Bloch-satsen visar att i enkristallina Si nanotrådar, en axiell vridning kan leda till separation av dopämnen av p-typ och n-typ längs nanotrådens radiella dimension, och realiserar därmed p-n-övergången. En bindningsorbitalanalys avslöjar att detta beror på den vridinducerade inhomogena skjuvtöjningen i nanotråden.

Om en halvledarkristall är dopad med dopämnen av n-typ i en region och med dopämnen av p-typ i en annan region, en p-n-övergångskonfiguration bildas. P-n-övergångar är grundläggande byggnadsenheter för lysdioder, solceller och andra halvledartransistorer. P-n-övergångar i nanostrukturer förväntas också vara de grundläggande enheterna i nästa generations nanoenheter. Dock, på grund av den starka attraktionen mellan dem, dopmedel av n-typ och dopmedel av p-typ tenderar att bilda neutrala par. Som ett resultat, p-n-övergången misslyckas. För att förhindra sådan attraktion mellan dopmedel av n-typ och dopmedel av p-typ, heterostrukturer introduceras, där ett halvledarmaterial är dopat med n-typ dopmedel medan det andra är dopat med p-typ dopmedel, och gränssnittet mellan två olika halvledarmaterial fungerar som en energibarriär mellan dopmedel av n-typ och dopmedel av p-typ. Verkligen, användningen av heterostrukturer står för ett paradigm för materialdesignen av p-n-övergången. Nyligen, liknande p-n-övergångskonfigurationer är också möjliga för nanotrådsheterostrukturer såsom koaxiala kärna-skal nanotrådar. Dock, det finns flera begränsningar i nanotrådsheterostrukturer. Till exempel, syntesen av kärn-skal nanotrådar involverar vanligtvis en tvåstegsprocess, vilket kostar extra. Ofta är skalet på den erhållna nanotrådsheterostrukturen polykristallint. Sådan ofullkomlighet går dåligt med transporter av transportörer. Vidare, gränssnittet mellan kärnan och skalet introducerar också skadliga djupa centra som till stor del hindrar enhetens effektivitet.

Kan vi göra p-n-övergångar med enkristallina nanotrådar? Uppriktigt sagt, svaret blir "Nej" om man tänker på problemet intuitivt. Verkligen, liknar huvuddelen, p-typ dopämnen och n-typ dopämnen i en samdopad enkelkristallin nanotråd känner också stark Coulomb-attraktion. Utan gränssnitt, hur kan vi övervinna en sådan attraktion? Det kräver en effektiv modulering/kontroll av de rumsliga ockupationsplatserna, dvs. rumslig fördelning, av dopämnen. Faktiskt, detta är en av de långvariga och grundläggande frågorna om dopning i halvledare. Ur materialteknikens synvinkel, detta kan tillskrivas misslyckandet med konventionella metoder som hydrostatisk, biaxiala och enaxliga spänningar på moduleringen av den rumsliga fördelningen av dopämnen. Dock, eftersom alla dessa nämnda förvrängningar är enhetliga, kan vi använda några inhomogena, som att vrida? Faktiskt, vridning av strukturer representerar ett fokus för den senaste forskningen om kondenserad materiens fysik i låga dimensioner.

I en ny tidning publicerad i National Science Review , ett team av forskare från Beijing Normal University, Chinse University of Hong Kong, och Beijing Computational Science Research Center presenterar sina teoretiska framsteg av samdopad Si nanotråd under vridning. De använder både mikroskopiska simuleringar baserade på det generaliserade Bloch-teoremet och analytisk modellering baserad på bondorbitalteorin för att genomföra studien och leverera fysiken bakom.

Intressant, vridning har betydande inverkan på distributionen av dopämnen i nanotrådar. Från den visade bilden, i en vriden Si nanotråd, ett dopmedel av större atomstorlek (såsom Sb) har en lägre bildningsenergi om det upptar en atomplats närmare nanotrådsytan; På motsatsen, ett dopmedel med mindre atomstorlek (som B) har en lägre bildningsenergi om det upptar en atomplats runt nanotrådskärnan. Enligt deras beräkningar, det är möjligt att separera dopämnen av n-typ och p-typ i den samdopade nanotråden med rätt val av samdopningspar, t.ex., B och Sb. En bindningsorbitalanalys avslöjar att det är den vridinducerade inhomogena skjuvtöjningen längs nanotrådens radiella dimension som driver den effektiva moduleringen. Dessa fynd stöds fullt ut av densitetsfunktionella tätt bindande baserade generaliserade Bloch-satssimuleringarna.

Denna nya strategi förenklar till stor del tillverkningsprocessen och sänker tillverkningskostnaderna. Om vridningen tillämpas när enheten är i arbetsläge, rekombinationen av olika typer av dopningsmedel är till stor del undertryckt. Även om vridningen tas bort när enheten är i arbetsläge, på grund av den begränsade spridningen, rekombinationen är fortfarande svår.