隨著對二維范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中共振隧穿的研究，其在能帶結(jié)構(gòu)探測、多值邏輯運算和振蕩器等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。由于晶格對準(zhǔn)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(zhuǎn)角，避免扭轉(zhuǎn)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(fù)微分電阻和峰谷比（PVR）。然而，扭轉(zhuǎn)角也可以提供控制層間耦合和能帶對準(zhǔn)的額外自由度。此外，一些二維材料的各向異性的能帶結(jié)構(gòu)，有望在動量空間中對共振隧穿和負(fù)微分電阻產(chǎn)生新穎的調(diào)制。因此，通過改變各向異性二維材料間的扭轉(zhuǎn)角度以調(diào)整晶格取向來探索共振隧穿現(xiàn)象，有望為共振隧穿現(xiàn)象提供一個新的調(diào)控手段。

鑒于此，北京理工大學(xué)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(fā)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(shè)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(xiàn)出ReSe2間扭轉(zhuǎn)角度可調(diào)的PVR，并在扭轉(zhuǎn)角度為102°時達(dá)到最大。這種對兩個ReSe2層之間的扭轉(zhuǎn)角度的強烈依賴性歸因于扭轉(zhuǎn)角在隧穿過程中對ReSe2層中兩個各向異性帶的聯(lián)合態(tài)密度的調(diào)節(jié)，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(jìn)一步調(diào)控PVR，并將其集成到光電應(yīng)用中。這一發(fā)現(xiàn)不僅為通過堆疊工程設(shè)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(yīng)用的結(jié)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(yīng)。圖a展示了1T’-ReSe2的原子結(jié)構(gòu)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(dǎo)帶（CB-1，左）和第二導(dǎo)帶（CB-2，右）的能帶圖，顯示了強烈的面內(nèi)各向異性。圖c 展示了單層ReSe2的能帶結(jié)構(gòu)，顯示導(dǎo)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(zhuǎn)角度下的能帶對準(zhǔn)示意圖。108° 共振隧穿晶體管中的聯(lián)合態(tài)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(fù)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(yīng)發(fā)生在重疊區(qū)域（紅色區(qū)域所示）。圖b展示了102° 共振隧穿晶體管的光學(xué)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(lán)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(zhuǎn)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(guān)系，清楚地展示了柵電壓依賴的負(fù)微分電阻。圖f展示了共振隧穿晶體管的電導(dǎo)圖，顯示了負(fù)微分電阻峰值隨柵電壓的變化趨勢。圖g展示了PVR和負(fù)微分電阻峰值位置隨柵電壓的變化總結(jié)。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(guān)系，顯示出負(fù)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(guān)系，顯示出負(fù)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(fù)微分電阻峰。圖a-c展示了87° TS-RTT中雙重負(fù)微分電阻峰對柵電壓和溫度的響應(yīng)。圖d-e展示了37° 扭曲堆疊共振隧穿晶體管中雙重負(fù)微分電阻峰和雙重PVR對柵電壓的響應(yīng)。圖f展示了能帶對準(zhǔn)的示意圖，解釋了雙重負(fù)微分電阻峰的來源。

圖4

圖4展示了不同扭轉(zhuǎn)角度下的負(fù)微分電阻總結(jié)。圖a-d展示了扭轉(zhuǎn)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(guān)系。圖e展示了PVR隨扭轉(zhuǎn)角度變化的總結(jié)，顯示在具有大扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角度變化，與（e）中的實驗結(jié)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(diào)自供電光電探測器的應(yīng)用。圖a展示了由158°扭曲堆疊共振隧穿晶體管和ReSe2 場效應(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)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(diào)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(yīng)。由于ReSe2的能帶各向異性，我們的器件通過調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度展示了明顯的負(fù)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(zhǔn)和聯(lián)合態(tài)密度的減少抑制了隧穿過程中的谷電流，這一結(jié)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(tài)的逆變器和可調(diào)自供電光電探測器中的應(yīng)用。我們的研究不僅引入了一種通過扭轉(zhuǎn)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(shù)，還展示了其在可編程光電子學(xué)和類腦設(shè)備中的潛在應(yīng)用。