研究人员实现了基于扭曲黑磷同质结构的共振隧道二极管

近年来，全世界的电子工程师都在努力开发利用原子薄材料的新型半导体异质结器件。在许多可以用这些材料制造的器件中，共振隧穿二极管是典型的由置于两个势垒层之间的量子阱结构组成的。

过去的研究表明，相互扭曲的二维（2D）层的堆叠可以增强或抑制其界面处的层间耦合。这种抑制或增强可以反过来调节所产生的器件的电子、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。

通过扭曲连接的层间电流传输也可能是一个有趣的研究课题，但尚未被探索。这促使我们研究扭曲的黑磷基同质结构中的层间电流输运行为。

在一系列的实验室实验中，研究团队发现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、与厚度相关的功函数/2D载流子密度和与扭转角相关的层间耦合。黑磷的高度各向异性特性最终使特定扭转角处的层间耦合强度消失。

有趣的是，我们发现这种扭曲结中的层间电流传输甚至在更大的扭曲角下也可以控制，通过扭曲费米表面产生的解耦界面和动量错配也会影响层间电流输运行为，这是我们初步研究的一部分。相反，观察扭曲结层内电流传输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层薄薄的黑磷，制造了一种黑磷三层同质结。在这种结构中，中间较薄的层相对于顶部和底部的黑色磷层扭曲。

由于我们的器件中的扭曲结构，解耦接口的行为就像层间电荷载流子传输的隧道屏障。如果我们将这种结构与传统的双势垒共振隧穿二极管进行比较，中黑磷可以作为量子阱的模拟物。

在他们制造的器件中，负微分电阻的出现和中间黑磷层厚度变化时峰值位置的演变产生了一个典型的与共振隧穿二极管相关的特征。共振隧穿发生在顶部和底部黑磷层的能量和动量匹配的量子阱态，由于能量和动量守恒过程。

每当我们谈论隧道现象时，都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。

研究团队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以用于实现各种高速电子设备，包括例如太赫兹设备和超导光谱学中的应用。

在不久的将来，我们希望进行实验，以在实际应用中实现扭曲的黑磷同质结构。