Transport in Silicon Nanowires: Role of Radial Dopant Profile
研究了磷掺杂硅纳米线的电子输运性质。通过结合从头算密度泛函理论（DFT）计算和递归格林函数方法，我们计算了不同P掺杂杂质分布的200 nm长硅纳米线的电导分布.我们发现，掺杂剂的径向分布影响的电导性能显着：表面掺杂的导线有较长的平均自由路径和较小的样品到样品的波动，从弹道到扩散运输的交叉。这些发现可以用单个掺杂原子的散射特性来定量预测，这意味着在实际的器件建模中，相对简单的计算就足够了
2008-01-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A Novel Route for the Inclusion of Metal Dopants in Silicon
我们报道了一种新的方法，引入金属原子到硅片，使用可忽略的热预算。用紫外（UV）光照射分子薄膜，将金属物质释放到半导体衬底中。二次离子质谱（SIMS）和X射线吸收光谱（XAS）表明，Mn作为间隙掺杂剂掺入到Si中。我们建议，我们的方法可以形成一个通用的低成本，低温技术的基础上，可能导致创建有序的掺杂剂阵列。
2010-03-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Single-Electron Capacitance Spectroscopy of Individual Dopants in Silicon
最近的运输实验和拟议的原子级半导体器件的动机，我们提出的测量，扩展扫描探针方法的范围，以辨别硅样品的表面下几十纳米的单个掺杂剂的属性。使用基于电容的方法，我们既有空间分辨的单个次表面硼受体，又有光谱检测的单个空穴进入和离开这些微小的原子系统。被确定为B+状态的共振示出从受体到受体的能量转移。我们研究这种行为与最近邻距离。通过直接测量量子能级和测试掺杂剂-掺杂剂相互作用的影响，这种方法代表了未来原子级半导体器件开发的有价值的工具。
2009-12-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Review: Towards Spintronic Quantum Technologies with Dopants in Silicon
晶体硅中的掺杂剂如磷（Si：P）具有电子和核自旋，其具有特别长的相干时间，使其成为量子计算和量子传感的有前途的平台。单自旋单次读出的演示使这些想法更接近实现。利用扫描隧道显微镜制造原子级Si：P结构的进展提供了一个强大的途径来扩大这项工作，利用计算机行业开发的技术。这一新兴的量子技术的实验和理论方面的审查，重点是从2009年到2014年中期。
2014-08-06 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electron-Beam Manipulation of Silicon Dopants in Graphene
使用扫描探针显微镜直接操纵材料中的单个原子是纳米技术的一项开创性成就。在成像分辨率和样品稳定性方面的最新进展使扫描透射电子显微镜成为共价键合材料单原子操作的一种有前途的选择。使用原子聚焦电子束的开创性实验已经证明了硅原子在石墨烯晶格内的少数位置上的定向运动。在这里，我们实现了更大程度的控制，使我们能够沿着延伸的路径精确地移动硅杂质，循环单个六边形，或者在两个石墨烯子晶格之间来回移动。即使是手动操作，我们的操作速度也已经可以与任何原子级精确技术的最新水平相媲美。我们进一步探索电子能量对操纵速率的影响，通过改进的理论模型考虑到杂质附近原子的振动，并实现反馈来实时检测操纵事件。除了对其结构和性质进行原子级工程设计外，石墨烯还为改进定量模型的准确性和开发自动化操作提供了一个极好的平台。
2018-06-25 cond-mat.mtrl-sci
Spatial Metrology of Dopants in Silicon with Exact Lattice Site Precision
基于硅的纳米电子器件的积极缩放已经达到了这样的状态，即器件功能不仅受到单个掺杂剂的存在的影响，而且更重要的是它们在结构中的位置。在从超大规模晶体管中的沟道掺杂到量子信息处理的一系列应用中，次表面掺杂剂原子的位置的定量确定是一个重要问题，因此提出了重大挑战。在这里，我们建立了一个计量相结合的低温扫描隧道显微镜（STM）成像和全面的量子处理的掺杂剂-STM系统，以针点的确切晶格位置的表面下掺杂剂在硅。该技术的基础上的观察，STM图像的次表面掺杂剂通常包含许多原子大小的功能，在有序的模式，这是高度敏感的STM尖端轨道的细节和掺杂剂原子本身的绝对晶格位置。我们展示了两种类型的掺杂剂样品在硅中的技术-第一个磷掺杂剂被放置在高精度，第二个包含随机放置的砷掺杂剂。基于STM测量和数百万原子计算之间的定量一致性，确定了这些掺杂剂的精确晶格位置，表明计量学可以工作到约36个晶格平面的深度。唯一确定下至5 nm深度的次表面掺杂剂的精确位置的能力将为经典和量子计算应用的纳米级器件的设计和优化提供关键知识。
2016-01-11 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.comp-ph
Single-Atom Control of Arsenic Incorporation in Silicon for High-Yield Artificial Lattice Fabrication
本研究结合扫描隧道显微镜氢抗蚀剂光刻与砷化氢表面化学反应统计研究，实现单砷原子在硅晶格的精确替位掺入，产率达97±2%，推动原子级精确半导体器件制造发展。
2023-11-09 cond-mat.mtrl-sci
Impact of Four-Valent Doping on the Crystallographic Phase Formation for Ferroelectric HfO$_2$ from First-Principles: Implications for Ferroelectric Memory and Energy-Related Applications
纳米级硅掺杂HfO $_2$的铁电性能保证了从铁电存储器到能量相关应用的多种应用。这种意外行为的原因尚未得到明确证明，可能包括尺寸效应和掺杂效应的贡献。采用不同的密度泛函理论（DFT）方法，通过第一性原理计算研究了HfO $_2$中硅的掺入.间隙和替代硅在HfO $_2$配对和没有氧空位的形成能证明的替代缺陷作为最有可能的。在高达12.5化学式单位%的研究浓度窗口内，单独的硅掺杂不足以稳定极性和正交晶相（p-o-相），其已被确定为HfO $_2$中的铁电性的来源。另一方面，硅掺入是所研究的掺杂剂组内的p-o-相和tetraxide相（t-相）的最强促进剂之一，证实了实验铁电窗口。除了硅，其他四价掺杂剂，C，Ge，Ti，Sn，Zr和Ce的能量上的有利影响进行了检查，揭示Ce作为一个非常有前途的候选人。随着这些四价掺杂剂的掺杂浓度的增加，体积变化的演变显示出与硅相比，Ce的相反趋势。为了补充这项研究，掺杂剂在主机HfO $_2$晶格的几何结合进行了分析。
2018-01-02 cond-mat.mtrl-sci
Unlocking extreme doping and strain in epitaxial monocrystalline silicon
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Saclay, CNRS（纳米科学和纳米技术研究中心，巴黎萨克雷大学，法国国家科学研究中心）；Probion Analysis（普罗比昂分析公司）；CNR-IMM（意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所）
本研究通过纳秒激光掺杂实现单晶硅外延层的高载流子浓度和晶格变形，揭示了超掺杂的限制机制，并通过理论模型和计算支持其有效性。
2026-03-06 cond-mat.mtrl-sci
Effects of dopant type and concentration on the femtosecond laser ablation threshold and incubation behaviour of silicon
在激光微加工中，烧蚀阈值（引起烧蚀所需的最小能量密度）是材料去除效率的关键性能参数和总体指标。对于脉冲激光微加工，这一重要的可观察性取决于材料特性、脉冲特性和以复杂方式施加的脉冲的数量，而这种复杂方式尚未得到很好的理解。孵化效应就是一个例子。它表现为烧蚀阈值的变化作为施加的激光脉冲的数量的函数，并且由材料中的光致缺陷累积驱动。在这里，我们研究飞秒（800 nm，110 fs，0.1-1 mJ/脉冲）微加工的材料具有明确的初始缺陷浓度：掺杂硅在一系列的掺杂剂类型和浓度。观察到单脉冲烧蚀阈值（Fth，1）随着掺杂剂浓度的增加而降低，从未掺杂Si的最大值0.70 J/cm 2（+/-0.02）降低到高度N型掺杂Si的0.51 J/cm 2（+/-0.01）。对于N型掺杂的Si，该效应大于P型掺杂的Si，这与电子的载流子迁移率比空穴的载流子迁移率高一致。相比之下，无限脉冲消融阈值（Fth，inf）是相同的所有掺杂水平和类型。我们将这种渐近行为归因于最大缺陷浓度，它与初始缺陷浓度和类型无关。这些结果有助于深入了解多脉冲，飞秒激光烧蚀的机制。
2016-11-15 cond-mat.mtrl-sci
CMOS-compatible controlled hyperdoping of silicon nanowires
超掺杂是指在半导体中故意引入超过平衡浓度的深能级掺杂剂。这导致掺杂剂能级加宽到价带和导带之间的中间带。[1，2]最近，已经证明用硫属元素或过渡金属超掺杂的体硅是用于硅基短波长红外光电探测器的合适的中间带材料。[3-5]中间带纳米线可能被用来代替大块材料，以克服Shockley-Queisser极限并提高太阳能电池的效率，[6-9]但超掺杂Si纳米线的基本科学问题需要实验验证。因此，开发一种在纳米尺度上获得受控超掺杂水平并伴随掺杂剂的电激活的方法对于理解这些问题至关重要。在这里，我们展示了一种CMOS兼容技术的基础上的非平衡处理的控制掺杂的Si在纳米级的掺杂剂浓度大于几个数量级的平衡固溶度。通过纳米级空间控制注入的掺杂剂，和自下而上的模板辅助固相再结晶的纳米线与使用毫秒闪光灯退火，我们形成Se-超掺杂的Si/SiO2芯/壳纳米线，具有室温下的子带隙光电光电响应时，配置为光电导体器件。
2018-02-20 cond-mat.mtrl-sci
The Sub-band Structure of Atomically Sharp Dopant Profiles in Silicon
硅基结构和原型器件的缩小尺度现已达到单原子尺度，这是硅基量子计算机发展的重要里程碑。用于原子级器件制造的一个特别值得注意的平台是所谓的SiP δ层，其由半导体主体内的超致密和尖锐的掺杂剂层组成。虽然存在几种替代方案，但硅中的磷掺杂剂引起了最大的兴趣，正是在这个平台上，许多量子原型设备已经成功地得到了展示。受此启发，计算和实验都致力于了解SiP δ层平台的电子结构。在这项工作中，我们使用高分辨率的角度分辨光电子能谱（ARPES），以揭示存在的电子态的结构，因为高掺杂密度的SiP δ层。与已发表的理论工作相比，我们解决了三个不同的频带，其中最占用显示出大的各向异性和显着偏离简单的抛物线行为。我们研究了这种精细结构的可能起源，并得出结论，这主要是介电常数大的结果（约。是体硅的两倍）。在紧束缚计算中考虑这个因素会导致对能带结构的重大修正;具体地说，第三个能带的存在、能带的分离以及对纯粹抛物线行为的偏离。这种对能带结构的新理解对于构建在SiP delta层平台上的量子原型器件具有重要意义。
2019-04-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Doping-induced spin-manipulation in complex trimer system Ca$_{3}$Cu$_{3}$(PO$_{4}$)$_{4}$: A First Principles Study
用磁性（Ni）和非磁性（Mg）掺杂剂进行自旋操纵掺杂构成了从具有双重基态的线性链海森堡反铁磁Cu基$d^{9}$自旋1/2三聚体化合物Ca $_{3}$ Cu $_{3}$（PO $_{4}$）$_{4}$获得单重态基态系统的实验尝试。本研究是基于第一性原理的调查，这种掺杂的自旋交换机制和电子结构的母体化合物的影响。在获得具有单重态基态的自旋带隙系统方面，用零自旋掺杂剂（如Mg）的位置选择性掺杂被证明比整体自旋掺杂剂Ni更有效，如在实验研究中也观察到的。掺杂诱导的二聚态的基态能量最低。计算出的自旋交换值沿各种可能的路径很好地与早期的实验结果相似。
2012-10-01 cond-mat.mtrl-sci
Electrical activation and electron spin coherence of ultra low dose antimony implants in silicon
我们将超低剂量（2 × 10^11 cm-2）的121 Sb离子注入到同位素富集的28 Si中，并发现在快速热退火后，具有高度的电激活和低水平的掺杂剂扩散。脉冲电子自旋共振表明自旋回波衰减对掺杂深度和界面质量敏感。在5.2 K，自旋退相干时间，T2，为0.3 ms的发现为50 nm以下的Si/SiO2界面，增加到0.75 ms时，表面用氢钝化的配置文件峰值。这些测量为量子信息编码在施主电子自旋中的设备的开发提供了基准数据。
2005-10-31 cond-mat.mtrl-sci
Deep-Learning-Accelerated Dopant Selection for High-k HfO2 Dielectrics: A Disorder-Resolved Study of Y, Si and Al
Incheon National University（仁川国立大学）
该研究整合SQS、SevenNet和ALIGNN的高通量计算框架，解析Y、Si、Al掺杂HfO2的性能，揭示形成能等参数解耦规律，为高k电介质掺杂剂选择提供理性指导。
2026-08-13 cond-mat.mtrl-sci
Learning and Controlling Silicon Dopant Transitions in Graphene using Scanning Transmission Electron Microscopy
Université de Montréal（蒙特利尔大学）；Mila（米拉研究所）；McGill University（麦吉尔大学）；Reliant AI（Reliant人工智能公司）；Google DeepMind（谷歌DeepMind）；University of Tennessee, Knoxville（田纳西大学诺克斯维尔分校）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
本文提出一种基于STEM数据和神经网络预测硅原子跃迁概率的机器学习方法，并利用学习到的动力学引导单个硅原子在石墨烯晶格中移动到指定目标位置。
2023-11-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Interaction of dopants with the I$_3$-type basal stacking fault in hexagonal-diamond Si
本研究采用密度泛函理论计算，揭示了六方金刚石型硅中p型、n型掺杂剂及等电子杂质与I₃型基面堆垛层错的差异化相互作用规律，并通过六方/立方硅界面验证了相关结论，为新型半导体性能调控提供了理论依据。
2025-06-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Scanning tunneling spectroscopy reveals a silicon dangling bond charge state transition
利用低温扫描隧道显微镜（LT-STM）研究了氢封端硅（100）表面上的单悬挂键（DB）。通过研究不同退火温度下制备的样品，我们建立了次表面砷掺杂对DB电子性能的关键作用。我们表明，当近表面浓度的掺杂剂耗尽作为结果的$1250°C$闪光退火，一个单一的DB表现出尖锐的导电步骤，在其I（V）光谱，这不是由于状态效应的密度，而是对应于DB电荷态转变。该转变的电压位置与DB在不同电荷状态下的STM图像中的偏压依赖性变化完全相关。密度泛函理论（DFT）计算通过显示DB-掺杂剂距离对DB状态的影响，进一步突出了次表面掺杂剂对DB性质的作用。我们讨论了可能的理论模型的电子传输通过DB，可以解释我们的实验观察。
2015-07-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Drain current modulation in a nanoscale field-effect-transistor channel by single dopant implantation
我们展示了单一掺杂剂注入到硅纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管的沟道中。这是通过监测离子辐照期间的漏极电流调制来实现的。确定性掺杂对于克服当前纳米级器件中掺杂剂数量的可变性和利用单原子自由度至关重要。两个主要的离子停止过程，诱导漏电流调制检查。我们采用500~keV的He离子，其中电子停止是占主导地位的，导致离散的漏电流增加和14~keV的P掺杂，其中核停止是占主导地位的，导致离散的漏电流减小。
2010-07-29 cond-mat.mtrl-sci
Active Sites of Te-hyperdoped Silicon by Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy
本研究通过光电子能谱、衍射及Bloch波计算，揭示了Te超掺杂硅中多Te构型（二聚体及四Te围绕空位）的替代位点，解释了自由载流子异常激活机制。
2023-06-23 cond-mat.mtrl-sci
Resonant addressing and manipulation of silicon vacancy qubits in silicon carbide
固态的几个系统已经被认为是基于自旋的量子信息处理的有希望的候选者。尽管在过去十年中取得了重大进展，但人们仍在寻找具有更高潜力的新系统[D]。Dienzo，Nature Mat. 9，468（2010）]。碳化硅中的硅空位缺陷包含了半导体量子点的技术优势和金刚石中氮空位缺陷的独特自旋特性。与原子类似，硅空位量子比特可以在双无线电-光学共振条件下控制，允许它们的选择性寻址和操纵。此外，我们还利用脉冲磁共振技术揭示了它们的长自旋记忆。所有这些结果使得碳化硅中的硅空位缺陷在量子应用中非常有吸引力。
2012-10-01 cond-mat.mtrl-sci
Exact location of dopants below the Si(001):H surface from scanning tunnelling microscopy and density functional theory
控制硅中的掺杂剂仍然是定制集成电路电子材料性能的最重要方法，其中V族杂质是最重要的n型掺杂剂。与此同时，由于硅为杂质轨道提供了磁性安静的环境，硅在相干量子器件中找到了新的应用。掺杂剂轨道的电离能和形状取决于它们相互作用的表面和界面。因此，掺杂剂的位置和局部环境效应将决定未来量子信息处理器和下一代半导体器件的功能。在这里，我们从低温扫描隧道显微镜（STM）的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算模拟的图像匹配观察到的掺杂剂波函数。通过实验和理论的结合，我们精确地确定了Si（001）：H表面以下5和15 A之间的中性As掺杂剂的替代位置。在这个过程中，我们获得了充分的理解与表面的施主电子态的相互作用，因此之间的过渡散装掺杂剂（与其离域类氢轨道）和先前研究的掺杂剂在表面层。
2017-01-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Towards visualisation of central-cell-effects in scanning-tunnelling-microscope images of subsurface dopant qubits in silicon
磷施主波函数的原子尺度理解支持硅基量子器件的设计和优化。计算施主波函数的大规模理论方法的准确性取决于中央单元校正的描述，中央单元校正根据经验拟合以匹配实验结合能或与波函数的全局性质相关的其他量。直接理解施主波函数中的这种效应的方法具有很大的意义。在这里，我们应用一个全面的原子理论框架来计算扫描隧道显微镜（STM）图像的亚表面施主波函数与两个中央细胞校正formalisms以前在文献中。基于实空间图像特征和傅里叶变换轮廓的中心单元模型之间的比较表明，在模拟的STM图像中，在硅表面以下的10个单层中，中心单元效应是可见的。我们的研究激发了未来通过STM成像技术对中央细胞效应进行实验研究的潜力，微调理论模型，这可能在可扩展量子计算机架构中基于供体的量子系统的设计中发挥至关重要的作用。
2017-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Single-atom doping for quantum device development in diamond and silicon
以高空间分辨率、掺杂剂种类的灵活性和高单离子检测保真度注入掺杂剂原子的能力为掺杂剂波动效应的研究和其中功能基于单原子中的量子态的操纵的装置（例如所提出的量子计算机）的开发打开了机会。我们描述了一个单原子注射器，其中的扫描力显微镜（SFM）的成像和对准能力集成与离子束从一系列的离子源和灵敏的检测入射离子引起的电流瞬变。离子束通过SFM尖端中的小孔准直，并且由晶体管通道中的单离子撞击引起的电流变化使得能够可靠地检测单离子撞击。我们讨论了离子放置和处理中的分辨率限制因素以及单原子（和色心）阵列形成的路径，以系统地测试硅和金刚石中的量子计算机架构。
2008-06-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
How Silicon and Boron Dopants Govern the Cryogenic Scintillation Properties of N-type GaAs
本文首次报道了硅和硼的浓度对n型GaAs低温闪烁特性的影响。结果表明，价带空穴被迅速捕获在辐射中心，然后以随自由载流子密度增加的速率与硅施主带电子辐射结合。它还提出了在X射线激发下有效发光所需的硅和硼浓度范围，以及其低带隙和明显没有余辉，使掺杂GaAs适合于检测来自相互作用的暗物质粒子的稀有低能电子激发。共研究了来自四个不同供应商的29个样品。测量了中心在860、930、1070和1335 nm的四个主要发射带以及总发射的亮度和定时响应。由超快激光驱动的光激发X射线管提供40 kVp X射线的激发脉冲。使用InGaAs光电倍增管测量800至1350 nm的闪烁发射。在自由载流子浓度为2 x 10^16/cm 3至6 x 10^17/cm 3，硼浓度为1.5 x 10^18/cm 3至6 x 10^18/cm 3的范围内，9个样品的亮度> 70光子/keV，2个样品的亮度> 110光子/keV。在这个范围内的其他样品由于非辐射中心的浓度较高而具有较低的光度。随着自由载流子浓度从10^17/cm 3增加到2 x 10^18/cm 3，衰减时间通常会减少10倍。
2020-12-14 cond-mat.mtrl-sci nucl-ex
Quantifying Atom-scale Dopant Movement and Electrical Activation in Si:P Monolayers
先进的氢光刻技术和低温外延生长使高度磷掺杂的硅（Si：P）单层（ML）的图案化与原子精度。这种器件制造方法使Si：P单层系统成为多量子位量子计算架构和原子级精确的2-D超晶格设计的测试平台，其行为与单一掺杂剂的确定性放置直接相关。然而，掺杂剂偏析，扩散，表面粗糙化，和缺陷形成过程中的封装过度生长引入大的不确定性，确切的掺杂剂的位置和激活比。在这项研究中，我们开发了一种独特的方法相结合的掺杂剂偏析/扩散模型与溅射轮廓模拟监测和控制，在原子尺度上，使用室温生长的锁定层（LL）的掺杂剂运动。我们探讨了LL生长速率，厚度，快速热退火，表面积累，和生长前的粗糙度对掺杂剂的限制，局部结晶质量，和Si：P 2-D系统内的电激活的影响。我们表明，掺杂剂的运动可以更有效地抑制通过增加LL生长速率比通过增加LL厚度。我们发现，掺杂剂的偏析长度可以被抑制在一个单一的Si晶格常数以下，通过在室温下增加LL生长速率，同时保持外延。虽然LL内的掺杂剂扩散率被发现保持高，甚至低于氢解吸温度，我们表明，非常尖锐的掺杂剂限制与高的电气质量内Si：P单层可以通过结合高LL生长速率与低温LL快速热退火来实现。
2017-11-09 cond-mat.mtrl-sci
Non-destructive X-ray imaging of patterned delta-layer devices in silicon
本文利用X射线荧光对硅中砷掺杂δ层器件进行非破坏性元素成像，证明高剂量X射线暴露不改变低温电子输运性质，并展望实现5纳米分辨的单原子成像。
2023-04-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el quant-ph
Charge transfer at hybrid inorganic-organic interfaces
有机掺杂剂经常用于表面掺杂无机半导体。由此产生的杂化无机-有机材料在先进的功能材料和半导体器件中具有至关重要的作用。本文从理论上研究了杂化硅分子界面的电荷转移。这个想法是过滤出最好的分子受体掺杂硅与空穴密度高达1013 cm-2。在这里，我们使用的组合算法合并化学硬度方法和第一性原理DFT和GW计算。我们首先使用化学硬度法，这是简单和快速缩小我们的搜索分子掺杂剂。然后，对于最乐观的候选人，我们进行第一性原理DFT计算，并讨论GW校正的必要性。这种筛选方法是相当普遍的，适用于其他混合接口。
2016-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Observation and origin of the $Δ$-manifold in Si:P $δ$-layers
通过产生掩埋在硅基质内的磷原子的尖锐且致密的掺杂剂分布，在掺杂剂区域内形成二维电子气。量子限制效应诱导的掺杂剂层的厚度减少，从$4.0$ \，nm到单层的限制，探索使用角分辨光电子能谱。理论上预测的位置，但实验迄今未观察到的，量子阱状态被称为$Δ$ -流形被揭示。此外，托管在$Δ$ -歧管内的载流子的数量被示出为受到限制电位的强烈影响，从而打开了通过调整掺杂剂层厚度来选择载流子特性的可能性。
2019-11-19 cond-mat.mtrl-sci
Modulation Doping of Silicon using Aluminium-induced Acceptor States in Silicon Dioxide
硅的所有电子、光电或光伏应用都依赖于通过掺杂杂质原子来控制多数载流子。纳米硅在基础研究（量子点，纳米线）中无处不在，但也在微电子工业的未来技术节点中接近。通常，硅纳米体积，无论其预期目的如何，由于基本物理原理（例如外扩散、小数统计、量子或介电限制）而遭受阻碍常规掺杂的效应。在类比调制掺杂的概念，最初发明的III-V族半导体，我们证明了异质结构调制掺杂方法的硅。我们的方法利用了二氧化硅中铝原子的特定受主态，在相邻的硅中产生空穴作为多数载流子。通过将掺杂剂从硅重新定位到二氧化硅，避免了Si纳米级掺杂问题。此外，铝诱导的受主态的概念，钝化孔选择性隧道接触所需的高效率photophilics的提出和证实的第一载流子寿命测量。
2016-12-10 cond-mat.mtrl-sci
Structure and Electronic States of a Graphene Double Vacancy with an Embedded Si Dopant
硅代表石墨烯中常见的本征杂质，通常分别与单碳空位或双碳空位中的三个或四个碳相邻物键合。我们采用密度泛函理论（DFT）研究了后一种缺陷（Si-C $_4$）对石墨烯结构和电子性质的影响。已经进行了基于分子模型和周期性边界条件的计算。二碳空位由芘（芘-2C）构成，然后扩展为环芘-2C。这些情况下的结构表征表明，基态是轻微的非平面，与键合碳从平面位移高达$\pm$ 0.2埃。通过将缺陷嵌入石墨烯的10 $\times$ 8超晶胞中来确认这种非平面结构，导致比先前考虑的平面结构低0.22 eV的能量。自然键轨道（NBO）分析表明非平面结构的硅原子上的sp $^3$杂化和平面结构的sp $^2$ d杂化。原子分辨电子能量损失谱（EELS）和相应的光谱模拟提供了一个混合的图片：一个平坦的结构提供了一个稍微好一点的整体光谱匹配，但一个小的观察到的前峰只存在于波纹模拟。考虑到两个等效波纹构象之间的能量势垒很小，这两种结构都可以在几秒钟的实验时间尺度上作为叠加存在。
2017-11-20 cond-mat.mtrl-sci
E-beam manipulation of Si atoms on graphene edges with aberration-corrected STEM
原子级材料控制的新兴领域为量子和忆阻器件制造以及原子尺度化学的基础研究的未来突破提供了巨大的希望。实现原子对物质的控制是一个复杂而持续的挑战。在这里，我们探讨了可控运动的掺杂硅原子在石墨烯的边缘通过亚原子聚焦电子束在扫描透射电子显微镜（STEM）的可行性。我们证明了石墨烯边缘可以被清除Si原子，然后随后从附近的源材料中补充。还示出了Si边缘原子如何可以从小孔的边缘被推到石墨烯晶格的主体中以及从晶格的主体回到边缘。这通过溅射石墨烯晶格的边缘以掩埋或暴露Si掺杂剂原子来实现。这些实验形成了迈向一般原子尺度材料控制的第一步。
2017-10-27 cond-mat.mtrl-sci
A Si-on-SiC Platform for Interfacing with Vanadium Dopants in the Telecom O-Band
Q-NEXT, Argonne National Laboratory（Q-NEXT，阿贡国家实验室）；Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago（芝加哥大学普里茨克分子工程学院）；Material Science Division, Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室材料科学部）；Center for Nanoscale Materials, Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室纳米材料中心）
本研究提出硅上碳化硅异质光子平台，通过硅纳米腔与钒掺杂剂耦合，实现电信O波段高效单光子发射，为量子网络节点提供可扩展接口。
2026-09-29 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Single-atom spectroscopy of phosphorus dopants implanted into graphene
现代半导体技术成功背后的关键之一是硅的离子注入，这使得其电子特性可以定制。出于类似的目的，在生长期间和使用生长后方法都将杂原子引入碳纳米材料中。然而，由于样品的性质，确定杂原子是否已按预期并入晶格中具有挑战性，迄今为止直接观察仅限于N和B掺杂剂以及附带的Si杂质。此外，由于需要非常低的离子能量和原子级清洁的表面，这些材料的离子注入更具挑战性。在这里，我们提供了第一个原子分辨率成像和电子能量损失谱（EELS）的证据，磷原子纳入石墨烯晶格的低能离子辐照。测得的P的单原子EELS光谱图的L-边缘响应显示出良好的协议与从头算光谱模拟，最终确定在一个屈曲的替代配置的P。我们的研究结果证明了磷作为$sp^2$键合碳结构中的晶格掺杂剂的可行性，并为进一步的研究提供了明确无误的指纹。
2016-10-11 cond-mat.mtrl-sci
Modeling of optical amplifier waveguide based on silicon nanostructures and rare earth ions doped silica matrix gain media by a finite-difference time-domain method: comparison of achievable gain with Er3+ or Nd3+ ions dopants
在波导光放大器的增益实现进行了比较研究，其有源层是由含有硅纳米颗粒作为敏化剂的钕离子（Nd 3+）或铒离子（Er 3+）的二氧化硅基质构成。由于布居能级特征时间（ms）和有限差分时间步长（10 ~ 17 s）之间存在较大差异，传统的辅助微分方程时域有限差分（ADE-FDTD）方法不适合处理此类系统。因此，提出了一种新的基于ADE-FDTD方法的双环算法来模拟这种波导光放大器。我们调查的稳定状态制度的稀土离子和硅纳米粒子的水平人口以及不同的泵浦功率范围从1到10 - 4 mW.mm-2的电磁场。此外，在此泵浦范围内，每单位长度可获得的增益的三维分布已被估计。掺Nd 3+波导在1064 nm处的单位长度总增益（达30 dB·cm-1）比掺Er 3+波导在1532 nm处的单位长度总增益（达2dB·cm-1）高。考虑到这些波导上的实验背景损耗，我们证明了一个显着的正净增益只能与Nd 3+掺杂波导实现。所开发的算法是稳定的，适用于具有宽范围的特征寿命的发射器的光学增益材料。
2015-03-18 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.optics
Electron-beam Introduction of Heteroatomic Pt-Si Structures in Graphene
在像差校正的扫描透射电子显微镜中，电子束操纵单个掺杂剂原子是一种新兴的定向原子运动和原子-原子组装的方法。到目前为止，掺杂剂物质仅限于在离子半径方面与碳紧密匹配的原子，并且能够与石墨烯晶格中的碳原子形成强共价键。到目前为止，仅针对Si证明了原位掺杂剂插入石墨烯晶格中，Si作为该材料中的污染物普遍存在。在这里，我们实现了在原位操作的Pt原子和它们的插入到石墨烯主机矩阵使用电子束沉积的Pt在石墨烯作为主机系统。我们进一步证明了Pt原子的稳定机制，通过形成附着在石墨烯表面的Si稳定的Pt杂原子簇来实现。这项研究为电子束组装方法的普遍性提供了证据，为通过直接组装探索团簇化学开辟了一条途径。
2022-03-17 cond-mat.mtrl-sci
Simulation of phosphorus implantation into silicon with a single-parameter electronic stopping power model
我们模拟掺杂剂的磷注入到硅中使用一个新的电子阻止本领模型。在该模型中，电子阻止本领被分解为全局平均的有效电荷Z1* 和质子的局部电荷密度相关的电子阻止本领。模型中只有一个可调参数，即控制Z1* 的一个电子半径rs0。通过微调这个参数，我们得到了很好的协议之间的模拟掺杂剂分布和SIMS数据在很宽的能量范围内的沟道情况。我们的工作提供了一个进一步的例子，除了硼和砷的注入物种，以验证电子阻止本领模型的有效性，并说明其一般性的物理过程的研究，涉及电子停止。
1999-01-28 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Deciphering mechanisms of enhanced-retarded oxygen diffusion in doped Si
本文用第一性原理计算方法研究了氧在掺杂硅中的增强-阻滞扩散。我们发现氧二聚体的迁移不受应变、掺杂类型和掺杂速率的显著影响。我们归因于p型掺杂硅中的氧扩散增强，以减少单体迁移能量，和延迟的氧扩散Sb掺杂的氧捕获靠近掺杂剂的网站。这两种动力学和热力学机制可能同时出现，并可能导致相互矛盾的实验结果。这种机制可能涉及太阳能级硅中的光诱导降解现象。
2014-01-16 cond-mat.mtrl-sci
Electron-Beam Manipulation of Silicon Impurities in Single-Walled Carbon Nanotubes
最近的发现，杂质原子在晶体中可以操纵与聚焦电子辐照打开了新的前景自上而下的原子工程。这些成就是由于电子光学和显微镜稳定性的进步，以及通过离子和电子束照射或化学方法制备含有杂质元素的合适材料。在这里，它示出了硅杂原子通过等离子体辐射引入到单壁碳纳米管（SWCNT）的晶格中，可以使用聚焦的55-60 keV的电子探针针对相邻的碳位点进行操作。移动的硅原子主要是沿着大的2.7 nm直径的管的纵轴，超过90个控制的晶格跳跃记录和相关的位移截面估计。分子动力学模拟表明，即使在2 nm的单壁碳纳米管的阈值能量的平面外动力学是不同的比在石墨烯，并取决于硅-碳键相对于电子束的取向，以及本地键合的位移碳原子和它的邻居。其中电子波函数比在二维材料中更严格地受限的SWCNT的原子级工程可以使得能够制造可调谐电子谐振器和其它装置。
2019-02-11 cond-mat.mtrl-sci
Doping of Cr in Graphene Using Electron Beam Manipulation for Functional Defect Engineering
本研究利用扫描透射电子显微镜中的聚焦电子束及原位铣削，在石墨烯晶格和边缘可控引入单个Cr原子，并结合第一性原理计算揭示其磁性与半导体特性。
2023-07-11 cond-mat.mtrl-sci
Direct atomic fabrication and dopant positioning in Si using electron beams with active real time image-based feedback
半导体制造是现代文明的支柱，使无数的应用和技术，支撑日常生活。然而，虽然亚10纳米器件已经进入主流，但摩尔定律路线图的终点仍然缺乏能够在亚纳米和原子水平上进行体半导体制造的工具，而基于探针的操作正在被探索为唯一已知的途径。在这里，我们证明，原子大小的聚焦光束的扫描透射电子显微镜可以用来操纵半导体，如硅在原子水平上，诱导生长的结晶硅从非晶相，再入非晶化，铣削，和掺杂剂前运动。这些现象以原子分辨率实时可视化。我们进一步实施基于实时图像分析的主动反馈控制来控制电子束运动，从而实现形状控制，并在不久的将来为制造结构的逐个原子校正提供途径。这些观测结果为一个原子一个原子地批量制造开辟了一个新时代，这是纳米技术长期以来的梦想。
2017-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Acoustic and Optical Phonon Frequencies and Acoustic Phonon Velocities in Silicon-Doped Aluminum Nitride Thin Films
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Auburn University（奥本大学）
研究硅掺杂铝氮化物薄膜中声学与光学声子频率及声学声子速度，通过布拉格-曼德尔施塔姆和拉曼光散射谱学测量声学与光学声子频率，揭示掺杂硅对薄膜应变和位错密度的影响，优化超宽禁带半导体异质结及高功率器件热阻。
2024-08-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Simulation of hydrogen diffusion and boron passivation in crystalline silicon
本文应用早期发展的氢迁移模型和氢原子与电活性杂质反应模型，模拟了掺硼硅衬底等离子体氘化过程中的氢扩散和钝化过程。计算的氘浓度分布同意以及在钝化区域的长度与在氢等离子体中在200摄氏度的温度下处理5，10和15分钟获得的实验数据。另一方面，为了实现一个很好的拟合的钝化和未钝化区域之间的计算出的配置文件的dielectness，它是必要的假设，描述由电活性掺杂剂原子的氢的吸收的参数的值随着钝化区域的深度的增加而减少。例如，在等离子体处理期间产生的非平衡点缺陷的不均匀空间分布可导致氢吸收的空间依赖性。
2013-01-23 cond-mat.mtrl-sci
Half-metallic silicon nanowires
通过第一性原理计算，我们预测了过渡金属（TM）原子掺杂的硅纳米线具有半金属基态。它们在一个自旋方向上是绝缘体，但在相反的自旋方向上显示出金属性质。在TM原子的高覆盖率下，铁磁硅纳米线对于具有高磁矩的两个自旋方向都变成金属的，并且还可以在费米能级处具有显著的自旋极化。自旋相关的电子性质可以通过改变掺杂剂TM原子的类型以及纳米线的直径来设计。目前的结果不仅是科学的兴趣，但也可以启动新的研究硅纳米线的自旋电子应用。
2007-04-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
A first principles study of As doping at a disordered Si--SiO$_2$ interface
了解掺杂剂与氧化物界面之间的相互作用，是推动现代晶体管进一步集成的一个日益重要的问题。为此，使用第一性原理密度泛函理论和连续随机网络蒙特卡罗方法相结合，我们研究了在硅和它的氧化物之间的界面处的电活性砷施主。使用一个现实的模型的无序界面，我们发现，一个小的百分比（约10%）的原子网站在前几个单层上的硅侧的接口是积极有利于偏析，这是由本地键合和本地应变的缺陷中心控制。我们还发现，有一个长程量子限制效应，由于界面，这导致在掺杂剂偏析的能量障碍，但这个障碍是小的本地环境的影响相比。最后，我们考虑在何种程度上可以通过施加应变的界面控制能量的偏析。
2013-11-11 cond-mat.mtrl-sci
Electronic structure of boron and aluminum $δ$-doped layers in silicon
针对硅中高于固溶度的硼、铝δ掺杂层，采用密度泛函理论研究其电子结构，发现结构弛豫、无序及掺杂原子种类对能带等性质的影响规律，为调控其电子性质提供了理论依据。
2023-04-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Single atom manipulation and control in a scanning transmission electron microscope
我们证明了扫描透射电子显微镜（STEM）的亚原子聚焦光束可以用于可控地操纵2D石墨烯晶格中的单个掺杂剂原子。我们展示了吸附的源材料和石墨烯晶格与电子束的操作，使得单个空位缺陷可以可控地钝化由Si替代原子。我们进一步证明，这些Si缺陷可以通过电子束控制或修改（到目前为止，不受控制地），以形成新的缺陷，可以将新的原子纳入石墨烯晶格。这些研究证明了STEM在原子水平上进行原子纳米制造和2D材料化学反应基础研究的潜力。
2017-08-04 cond-mat.mtrl-sci
Direct measurement of 2DEG states in shallow Si:Sb $δ$-layers
利用角分辨光电子能谱直接测量浅 Si:Sb δ 层的 2DEG Γ 态，证明其电子结构与 Si:P 相似且 Sb 是更具工业优势的可行掺杂平台。
2024-10-22 cond-mat.mtrl-sci
Tracing boron diffusion into a textured silicon solar cell using electron beam induced current in a scanning transmission electron microscope
Georg-August-University Goettingen（哥廷根大学）；Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB（弗劳恩霍夫集成系统和器件研究所 IISB）；Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学）；Institute for Solar Energy Research Hamelin (ISFH)（哈梅林太阳能研究所 (ISFH)）
研究利用扫描透射电子显微镜中的电子束诱导电流及硼扩散模拟，追踪织构化硅太阳能电池中硼的掺杂剂分布，通过有效模型考虑表面复合，模拟与实验数据相符，还探讨了其在量化弱电场方面的应用。
2026-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
ESR measurements of phosphorus dimers in isotopically enriched 28Si silicon
硅中的掺杂剂已经使用光学和电子自旋共振（ESR）光谱学研究了几十年。最近，在同位素富集的28 Si中的掺杂剂的光谱中已经观察到新的特征，因为在这种材料中减少的不均匀线宽提高了光谱分辨率。考虑到这一点，我们测量ESR交换耦合磷二聚体在28 Si和报告两个结果。首先，一个新的精细结构中观察到的ESR谱所产生的状态混合的超精细耦合到31 P核，这是增强时的交换能量是可比的塞曼能量。这种精细结构使我们能够在光谱上解决两个单独的二聚体子系综，第一个与交换（J）耦合范围从2到7 GHz，第二个与J范围从6到60 GHz。接下来，使用0.35T下的脉冲ESR测量两种二聚体子系综的平均自旋弛豫时间T1和T2。T1和T2的二聚体的三重态之间的过渡被发现是相同的孤立的磷施主在28 Si的弛豫时间，与T2 = 4 ms在1.7 K的光谱扩散限制由于偶极相互作用与相邻的施主电子自旋。这一结果与理论预测一致，表明2 - 60 GHz的交换耦合在10 ms的时间尺度下不会限制体硅中的二聚体T1和T2。
2015-06-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Effect of Silicon Atom Doping in SiNx Resistive Switching Films
研究通过ULE-II向SiNx层掺杂Si原子并退火，利用电学表征与阻抗谱测量揭示了Si掺杂和退火温度对器件开关特性、介电性能及传导机制的显著影响。
2025-02-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Silicon nitride resistance switching MIS cells doped with silicon atoms
本文研究硅原子掺杂对氮化硅阻变存储单元开关性能的影响，通过超低能离子注入和退火制备器件，结合直流与交流电学表征揭示掺杂对介电性能和导电机理的作用。
2025-02-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electrical charge state manipulation of single silicon vacancies in a silicon carbide quantum optoelectronic device
具有长寿命自旋的色心是量子传感和量子信息应用的既定平台。色心存在于不同的电荷状态中，它们中的每一个都具有不同的光学和自旋性质。量子技术的应用需要能够访问和稳定每个特定任务的电荷状态。在这里，我们调查的电荷状态操纵的个别硅空位在碳化硅，一个系统，最近显示了一个独特的组合的长自旋相干时间和超稳定的自旋选择性光学跃迁。特别是，我们展示了电荷状态切换通过施加到颜色中心的偏置在一个集成的碳化硅光电器件。我们表明，所定义的掺杂分布和其他缺陷在设备中的分布的电子环境中起着关键作用的电荷状态控制。我们的实验结果和数值模拟的证据表明，控制这些复杂的相互作用，在一定条件下，可以提高光子发射率。这些发现开辟了确定性控制的自旋活性的颜色中心的量子技术的电荷状态的方式，并提供了新的技术，用于监测掺杂分布和电压传感的微观设备。
2019-06-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Enhanced photovoltaic effect in graphene-silicon Schottky junction under mechanical manipulation
石墨烯-硅肖特基结（GSJ）具有大规模制造和集成的潜力，为肖特基太阳能电池的光伏功率转换带来了新的机遇。然而，这些器件的基本功率转换限制在于小的开路电压（$V_{oc}$），这取决于肖特基势垒高度（SBH）。在这项研究中，我们介绍了一种机电方法的基础上挠曲电效应，以提高光伏效率在GSJ。利用原子力显微镜针尖压入和原位电流测量，获得了弯曲电应变梯度下的电流-电压（I-V）响应。观察到$V_{oc}$增加高达20 $\%$，导致功率转换效率的明显改善。我们的研究表明，应变梯度可能会提供前所未有的机会，GSJ为基础的柔性光伏应用的发展。
2023-01-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
