研究人员实现了基于扭曲的黑磷同质结构的共振隧穿二极管

近年来，世界各地的电子工程师一直在尝试开发使用原子薄材料的新型半导体异质结构器件。可以使用这些材料制造的许多器件中，有一个共振隧穿二极管，通常由置于两个势垒层之间的量子阱结构组成。

过去的研究表明，堆叠相互扭曲的二维(2D)层可以增强或抑制其界面处的层间耦合。这种抑制或增强又可以调节所得器件的电子，光学和机械性能。

例如，一些研究发现，小角度扭曲双层石墨烯中的层内电流传输会引发一些奇特的现象，例如超导性和铁磁性。这些发现启发了一种全新的设备工程新方法，即“ twistronics”(即扭曲电子学)。

韩国成均馆大学的研究人员最近进行了一项研究，旨在评估基于黑磷同质结构的共振隧穿二极管的反旋设计的潜力。最终的共振隧穿二极管，发表在《自然电子》上的论文中，比基于范德华异质结构的共振隧穿二极管表现出更高的隧穿电导。

进行这项研究的研究人员之一布迪·辛格(Budhi Singh)告诉TechXplore：“通过扭曲结的层间电流传输也可能是一个有趣的研究话题，尚未进行探讨。” “这促使我们研究扭曲的基于黑磷的均质结构中的层间电流传输行为。”

在一系列的实验室实验中，Singh和他的研究小组确定了许多表征黑磷的有价值的特征，包括其高度各向异性的性质，依赖于厚度的功函/ 2D载流子密度和依赖于扭曲角的层间耦合。黑磷的高度各向异性最终使特定扭曲角下的层间耦合强度消失。

辛格说：“有趣的是，我们发现，即使在较高的扭曲角下，在这种扭曲结中的层间电流传输也可以得到控制。” “扭曲的费米表面产生的解耦界面和动量失配也可能影响层间电流传输行为，这是我们主要研究的一部分。相反，观察扭曲结中层内电流传输中的奇异现象仅限于较小的扭曲角。”

为了评估他们设计的设计策略的潜力，研究人员通过在两个较厚的层之间集成一薄层黑磷来制造黑磷三层同质结。在这种结构中，中间的较薄层相对于顶部和底部黑磷层是扭曲的。

辛格解释说：“由于我们设备的扭曲结构，去耦的界面就像层间电荷载流子的隧道势垒一样。” “如果将这种结构与传统的双势垒共振隧穿二极管进行比较，则中间的黑磷可作为量子阱的类似物。”

在Singh及其同事制造的器件中，负差分电阻的出现以及随着中间黑磷层厚度的变化而出现的峰值位置的演变，产生了通常与共振隧穿二极管相关的特征。由于能量和动量守恒的过程，当顶部和底部黑磷层的能量和动量与量子阱态的能量和动量匹配时，就会发生共振隧穿。

辛格说：“每当我们谈论隧道现象时，就必须有一个物理屏障(即具有大能带隙的材料)。” “总的来说，这种结构是在异质结构组装中实现的，但是我们展示了通过同质结构的共振隧穿，而无需任何物理隧道势垒。”

辛格和他的同事们提出的扭转结构设计策略可能很快就会激发制造出具有出色隧道电导率的其他器件的灵感。在研究人员创建的设备中，隧穿机制以扭曲控制的层间耦合为主导，这导致了较高的隧穿电流密度。研究人员的二极管器件和其他具有高电流密度的扭曲控制隧道器件最终可用于实现各种高速电子设备，包括THz振荡器和超快开关。

辛格补充说：“在不久的将来，我们将进行实验，以在实际应用中实现扭曲的黑磷同质结构，例如太赫兹设备和超导光谱学中的应用。”

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