Credit: Srivastava等近年来，全球范围内的电子工程师一直在努力开发使用原子级薄材料的新型半导体异质结构器件。在许多可以使用这些材料制造的器件中，共振隧穿二极管通常由放置在两个阻挡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铝(2D)层可以增强或抑制界面处的层间耦合。这种抑制或增强可以反过来调节所得器件的电子、光学和机械特性。
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引发了一些奇异现象，如超导性和铁磁性。这些观察激发了一种全新的器件工程方法，称为“twistronics”(即twist electronics)。
韩国成均馆大学的研究人员最近开展了一项研究，旨在评估基于黑磷同质结构的共振隧穿二极管的twistronics设计的潜力。发表在《自然电子》杂志上的一篇论文中的共振隧穿二极管显示出比基于范德瓦尔斯异质结构的共振隧穿二极管更高的隧穿电导。
“通过扭曲结的层间电流传输也可能是一个尚未探索的有趣的研究课题，”进行这项研究的研究人员之一布迪·辛格告诉TechXplore。"这促使我们研究扭曲的黑磷基同质结构的层间电流传输行为."
在一系列实验室实验中，辛格和他的研究团队发现了表征黑磷的许多有价值的特征，包括其高度各向异性的性质、厚度相关的功函数/ 2D载流子密度和扭转角相关的层间耦合。黑磷的高度各向异性最终使得层间耦合强度在特定扭转角下消失。
“有趣的是，我们发现这种扭曲结中的层间电流传输甚至可以在更高的扭曲角下得到控制，”辛格说。“通过扭曲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。相比之下，在扭曲结的层内电流传输中对奇异现象的观察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，制造了一个黑磷三层同质结。在这种结构中，中间较薄的层相对于顶部和底部的黑磷层是扭曲的。
辛格解释说:“由于我们器件中的扭曲结构，去耦界面的行为就像层间电荷载流子传输的隧道势垒。“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，中间的黑磷可以作为量子阱的模拟物。”
在辛格和他的同事制造的器件中，负微分电阻的出现和峰值位置随中间黑磷层厚度变化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过程，当顶部和底部bl ack磷层的能量和动量与量子阱态的能量和动量匹配时，共振隧穿发生。
辛格说:“每当我们谈论隧道现象时，都必须有一个物理屏障(即具有大能量带隙的材料)。“一般来说，这种架构是在异质结构组件中实现的，但我们演示了通过同质结构的共振隧穿，而不需要任何物理隧道势垒。”
辛格和他的同事们提出的twistronics设计策略可能很快会激发出制造其他具有显著隧穿电导的器件的灵感。在研究人员创建的器件中，隧穿机制由扭曲控制的层间耦合主导，这导致了高隧穿电流密度。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器件，包括太赫兹振荡器和超快开关。
辛格补充说:“在不久的将来，我们希望进行实验，在实际应用中实现扭曲的黑磷同质结构，例如太赫兹器件和超导光谱学中的应用。
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