北理工課題組在各向異性共振隧穿晶體管研究方面取得重要進展
發布日期：2025-03-12 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
隨著對二維范德華異質結構中共振隧穿的研究，其在能帶結構探測、多值邏輯運算和振蕩器等領域已得到廣泛的應用。由于晶格對準決定著共振隧穿過程中的動量守恒條件，研究者通常不會在共振隧穿晶體管中采用大扭轉角，避免扭轉角引起的動量不匹配可能會破壞共振隧穿條件，從而影響負微分電阻和峰谷比（PVR）。然而，扭轉角也可以提供控制層間耦合和能帶對準的額外自由度。此外，一些二維材料的各向異性的能帶結構，有望在動量空間中對共振隧穿和負微分電阻產生新穎的調制。因此，通過改變各向異性二維材料間的扭轉角度以調整晶格取向來探索共振隧穿現象，有望為共振隧穿現象提供一個新的調控手段。
鑒于此，北京理工大學鄭守君研究員、蔣偉教授、王秩偉教授和熊嫣博士共同合作在ACS Nano在線發表“Anisotropic resonant tunneling in twist-stacked van der Waals heterostructure”的研究成果。研究者通過利用扭曲堆疊的1T’二硒化錸設計了一種二硒化錸/六方氮化硼/二硒化錸（ReSe2/h-BN/ReSe2）扭曲堆疊共振隧穿晶體管，表現出ReSe2間扭轉角度可調的PVR，并在扭轉角度為102°時達到最大。這種對兩個ReSe2層之間的扭轉角度的強烈依賴性歸因于扭轉角在隧穿過程中對ReSe2層中兩個各向異性帶的聯合態密度的調節，顯著抑制了谷電流，從而增強了PVR，這也得到了理論計算的支持。此外，該器件對溫度和520nm光照的敏感性，表明可以通過溫度和光照進一步調控PVR，并將其集成到光電應用中。這一發現不僅為通過堆疊工程設計共振隧穿器件提供了一種新方法，還為共振隧穿器件與光電應用的結合提供了可能。
圖1
圖1展示的基于1T’-ReSe2的各向異性共振隧穿效應。圖a展示了1T’-ReSe2的原子結構俯視圖，展示了各向異性的晶格方向。圖b展示了計算得到的第一導帶（CB-1，左）和第二導帶（CB-2，右）的能帶圖，顯示了強烈的面內各向異性。圖c 展示了單層ReSe2的能帶結構，顯示導帶最小值位于Γ點。圖d 展示了ReSe2/h-BN/ReSe2 共振隧穿晶體管在40°（左上）和108°（右上）扭轉角度下的能帶對準示意圖。108° 共振隧穿晶體管中的聯合態密度（右下角紅點）低于40°的（左下角紅陰影）。
圖2
圖2展示了102°扭曲堆疊共振隧穿晶體管中的負微分電阻。圖a展示了ReSe2/h-BN/ReSe2 共振隧穿晶體管的示意圖，其中偏置電壓施加在底層ReSe2上，共振隧穿效應發生在重疊區域（紅色區域所示）。圖b展示了102° 共振隧穿晶體管的光學圖像，橙色和綠色五角星表示拉曼測試的位置。兩層ReSe2通過幾層h-BN（藍色虛線）分隔。圖c展示了在拉曼位移127 cm-1處，頂部（橙色圓圈）和底部（綠色圓圈）ReSe2層的偏振依賴性拉曼強度。擬合線（橙色和綠色線）顯示兩層ReSe2之間的扭轉角度為102°。圖d展示了共振隧穿晶體管的TEM橫截面圖，顯示兩層ReSe2的相對晶格方向。圖e展示了在不同柵電壓下的隧穿電流與偏置電壓的關系，清楚地展示了柵電壓依賴的負微分電阻。圖f展示了共振隧穿晶體管的電導圖，顯示了負微分電阻峰值隨柵電壓的變化趨勢。圖g展示了PVR和負微分電阻峰值位置隨柵電壓的變化總結。圖h展示了柵電壓Vg=40 V時不同溫度下的隧穿電流與偏置電壓的關系，顯示出負微分電阻對溫度敏感。圖i展示了102°TS-RTT與基于單層MoS2的未扭曲共振隧穿晶體管之間的溫度依賴PVR比較，未扭曲共振隧穿晶體管對溫度幾乎不具有依賴性。圖j展示了在不同激光功率的520 nm光照射下的隧穿電流與偏置電壓的關系，顯示出負微分電阻對光照敏感。
圖3
圖3展示了扭曲堆疊共振隧穿晶體管中的雙重負微分電阻峰。圖a-c展示了87° TS-RTT中雙重負微分電阻峰對柵電壓和溫度的響應。圖d-e展示了37° 扭曲堆疊共振隧穿晶體管中雙重負微分電阻峰和雙重PVR對柵電壓的響應。圖f展示了能帶對準的示意圖，解釋了雙重負微分電阻峰的來源。
圖4
圖4展示了不同扭轉角度下的負微分電阻總結。圖a-d展示了扭轉角度為1.8°、31°、45°和158°時扭曲堆疊共振隧穿晶體管的隧穿電流與偏置電壓的關系。圖e展示了PVR隨扭轉角度變化的總結，顯示在具有大扭轉角度的扭曲堆疊共振隧穿晶體管中，PVR得到了增強（綠色虛線為參考線）。圖f展示了計算的108°扭轉角度扭曲堆疊共振隧穿晶體管的隧穿概率隨能量偏移的變化。圖g展示了理論計算的PVR隨扭轉角度變化，與（e）中的實驗結果一致。
圖5
圖5展示了基于扭曲堆疊共振隧穿晶體管的三值邏輯逆變器和可調自供電光電探測器的應用。圖a展示了由158°扭曲堆疊共振隧穿晶體管和ReSe2 場效應晶體管組成的三值逆變器示意圖。圖b展示了逆變器輸入電壓與輸出電壓的關系，展示了三值的識別。圖c展示了逆變器增益與輸入電壓的關系。圖d展示了1.8°扭曲堆疊共振隧穿晶體管的功率依賴光電流與偏置電壓的關系。圖e展示了柵電壓依賴的光伏電流，展示了自供電光電探測器的可調性。圖f展示了在±40 V柵電壓下的光伏電流耐久性測量。
總之，我們提出了在ReSe2/h-BN/ReSe2 扭曲堆疊共振隧穿晶體管中的各向異性共振隧穿效應。由于ReSe2的能帶各向異性，我們的器件通過調節扭轉角度展示了明顯的負微分電阻峰值和改善的PVR。歸因于在特定的102°扭曲角度下，獨特的能帶對準和聯合態密度的減少抑制了隧穿過程中的谷電流，這一結果得到了我們理論計算的驗證。此外，我們還展示了我們的扭曲堆疊共振隧穿晶體管在具有三種邏輯狀態的逆變器和可調自供電光電探測器中的應用。我們的研究不僅引入了一種通過扭轉角度和動量匹配來改善共振隧穿晶體管性能的扭曲堆疊技術，還展示了其在可編程光電子學和類腦設備中的潛在應用。
文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c13215
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