一、研究背景

二維（2D）晶體的分離與制造技術(shù)的進(jìn)步使得新型材料的實(shí)現(xiàn)成為可能，這些材料被稱為范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中不同的原子層以所需的順序組合在一起。由石墨烯、六方氮化硼（hBN）、TMDs和其他二維材料組成的定制異質(zhì)結(jié)構(gòu)目前被設(shè)計(jì)成顯示單個(gè)成分所沒(méi)有的特性，從而為基礎(chǔ)研究和新型器件應(yīng)用提供了一個(gè)平臺(tái)。在這方面，具有不同材料組合的隧道結(jié)構(gòu)成了研究電子隧道過(guò)程的有趣系統(tǒng)。以前的實(shí)驗(yàn)表明，在金屬-絕緣體結(jié)、傳統(tǒng)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和基于石墨烯的系統(tǒng)中，都有聲子輔助的共振電子隧穿。同樣地，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子阱中也觀察到了激子輔助的共振隧穿。在銀納米棒和石墨烯基結(jié)構(gòu)的金屬量子阱結(jié)構(gòu)中，已經(jīng)研究了等離子體輔助共振隧穿。此外，在基于hBN的結(jié)中也觀察到了缺陷輔助的共振隧穿的證據(jù)。

二、研究成果

在這里，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Lukas Novotny團(tuán)隊(duì)展示了范德華隧道結(jié)中激子輔助的共振電子隧穿。他們的電子傳輸測(cè)量顯示了明顯的共振峰，這些峰在能量上與TMD激子重合。他們研究了TMD/石墨烯/hBN/Au隧道結(jié)的電流-電壓（I-V）特性，并將其與無(wú)TMD的參考結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。盡管TMD被置于電子隧道通路之外，但在微分電導(dǎo)率（dI/dV）測(cè)量中觀察到的共振與TMD激子的能量一致。這些共振可以用一個(gè)涉及間接激子的一步過(guò)程和涉及聲子和直接激子的兩步過(guò)程來(lái)解釋。這兩個(gè)過(guò)程都保留了能量和面內(nèi)動(dòng)量。由于TMD單層（如WS2、MoS2、WSe2和MoSe2）的激子結(jié)合能很大，在室溫下可以觀察到共振特征。雖然TMD中的激子-聲子相互作用已經(jīng)通過(guò)光學(xué)方法進(jìn)行了研究，但他們的研究在電子傳輸測(cè)量中直接觀察到了這種相互作用，揭示了激子在隧穿過(guò)程中參與動(dòng)量守恒的方式。除了基本的興趣之外，他們的工作還建立了一個(gè)平臺(tái)，用于調(diào)查TMDs中激子產(chǎn)生所涉及的物理過(guò)程。相關(guān)研究工作以“Exciton-assisted electron tunnelling in?van der Waals heterostructures”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》上。祝賀！

三、圖文速遞

他們的參考裝置如圖1a所示，石墨烯和金電極被一層3-4 nm的絕緣hBN隔開(kāi)。在兩個(gè)電極之間施加一個(gè)偏置電壓，產(chǎn)生通過(guò)hBN勢(shì)壘的隧道電流。圖1b描述了正偏壓Vb下的帶狀圖。非彈性電子隧道過(guò)程，由扭結(jié)的箭頭表示，可以由結(jié)構(gòu)的不同模式介導(dǎo)，包括聲子、缺陷、光子和表面等離子體激元。在圖1c中，這樣一個(gè)裝置的測(cè)量I-V曲線以紅色標(biāo)出，其特點(diǎn)是在兩個(gè)極性中都對(duì)Vb有近乎指數(shù)的依賴，這與以前的報(bào)告一致。為了獲得進(jìn)一步的了解，他們?cè)u(píng)估了微分電導(dǎo)率dI/dV，在圖1c中以藍(lán)色顯示。該圖顯示了偏置電壓的不對(duì)稱性（也就是說(shuō)，負(fù)Vb的微分電導(dǎo)增加得更快）。這可以通過(guò)負(fù)偏置壓時(shí)Au中電子狀態(tài)密度的突然增加來(lái)理解。此外，在零偏壓區(qū)域附近可以觀察到一些微小的特征，如圖1c的插圖所示。在Vb?= 0 V附近出現(xiàn)的最小值被認(rèn)為是由石墨烯聲子輔助的非彈性電子隧道的標(biāo)志。后者介導(dǎo)了金和石墨烯中的電子狀態(tài)之間的面內(nèi)動(dòng)量失配。

為了證實(shí)他們的發(fā)現(xiàn)，他們對(duì)具有不同類型TMD單層的器件進(jìn)行了隨溫度變化的測(cè)量。他們對(duì)WS2、MoS2、WSe2和MoSe2的結(jié)果顯示在圖2a-d。對(duì)于所有這些TMD，他們觀察到，隨著溫度的降低，共振變得更加尖銳和強(qiáng)烈，他們把這種效果歸因于電極中的電子分布和激子共振的熱拓寬程度降低。

他們的電致發(fā)光（EL）測(cè)量提供了激子輔助電子隧道的進(jìn)一步證據(jù)。由共振電子隧穿產(chǎn)生的激子可以通過(guò)輻射性電子-空穴重組而部分衰變。如圖3c所示，這種輻射性衰變?cè)跍y(cè)量的電致發(fā)光光譜中產(chǎn)生了一個(gè)獨(dú)特的峰值。圖3a說(shuō)明了一個(gè)基于MoSe2的器件的布局。電子在石墨烯、hBN和Au電極重疊的區(qū)域（由白色虛線圍成的區(qū)域）進(jìn)行隧穿。紅色多邊形所示的MoSe2單層被置于石墨烯層的正上方。左邊的兩個(gè)電極作為與石墨烯的電觸點(diǎn)。圖3b中的照片顯示，當(dāng)施加電壓Vb?= 2.5 V時(shí)，觀察到EL。該發(fā)射被限制在MoSe2單層與隧道裝置重疊的區(qū)域。圖3c中繪制了不同偏置電壓下的發(fā)射光譜。以~1.57 eV為中心的峰值與以前的研究一致，并且根據(jù)他們的光致發(fā)光光譜測(cè)量，可以將其分配給MoSe2的A激發(fā)子（補(bǔ)充表2）。然而，請(qǐng)注意，圖2d所示的差分電導(dǎo)率測(cè)量中的相應(yīng)峰值出現(xiàn)在比A激子能量更高的電壓下，表明與高階激子的耦合。圖2中其他三個(gè)TMD器件的EL強(qiáng)度低于他們的檢測(cè)閾值，因?yàn)樗麄兪褂昧讼喈?dāng)厚的hBN間隔物來(lái)防止擊穿，所以產(chǎn)生的電流密度比MoSe2器件的電流密度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

他們繼續(xù)從理論上探索負(fù)責(zé)共振隧穿和EL的機(jī)制。如圖4a,b所示，隧穿過(guò)程涉及到能量和面內(nèi)動(dòng)量的守恒，對(duì)此，石墨烯和金之間存在著明顯的失配。此外，隧穿有利于最終的電子金態(tài)，具有較大的平面外能量，接近hBN間隔物的導(dǎo)帶。因此，最終狀態(tài)的動(dòng)量位于相關(guān)材料的表面投影的Γ點(diǎn)附近，如圖4b所示，他們觀察到當(dāng)遠(yuǎn)離Γ點(diǎn)時(shí)，金束縛電子的電子溢出量急劇減少，在平行波矢量k∥的空間中對(duì)應(yīng)k∥=0。因此，預(yù)計(jì)隧穿將由該材料中靠近Kg點(diǎn)的石墨烯電子向其位于表面投影的Γ點(diǎn)的費(fèi)米級(jí)附近的金態(tài)躍遷為主，涉及到約17nm-1的大型面內(nèi)波矢量轉(zhuǎn)移。聲子可以提供如此大的動(dòng)量，事實(shí)上，石墨烯和hBN有類似的面內(nèi)晶格參數(shù)（2%的失配），所以這兩種材料中的聲子（頻率ωp）可以幫助準(zhǔn)彈性隧道，引起了在低偏壓Vb≈?ωp/e≈65 mV（?，減少的普朗克常數(shù)）觀察到的特征，見(jiàn)圖1c,f并與以前的研究一致。

四、結(jié)論與展望

總之，他們已經(jīng)證明了在石墨烯/hBN/Au隧道結(jié)中的激子輔助的共振電子隧穿，TMD單層被置于石墨烯層附近。當(dāng)偏置電子能量eVb與激子能量相匹配時(shí)，這一過(guò)程表現(xiàn)為隧道電流的突然增加，導(dǎo)致dI/dV曲線上出現(xiàn)共振峰。觀察到的共振峰隨著溫度的降低而發(fā)生的藍(lán)移與光學(xué)光譜所顯示的相應(yīng)激子的藍(lán)移是一致的。他們發(fā)現(xiàn)，在四個(gè)研究的TMD器件中，引起dI/dV曲線中主要共振峰的激子狀態(tài)是不同的。他們從理論上解釋了他們的測(cè)量結(jié)果，即涉及間接或直接激子的電子隧道機(jī)制。間接激子可以提供從石墨烯到金的隧道所需的能量和面內(nèi)動(dòng)量，而直接激子需要聲子提供額外的面內(nèi)動(dòng)量。他們的發(fā)現(xiàn)通過(guò)光學(xué)測(cè)量得到了進(jìn)一步的證實(shí)，它顯示了由非彈性電子隧穿驅(qū)動(dòng)的激子發(fā)光。在他們的器件中，TMD層被置于電子隧穿路徑之外，這使他們能夠通過(guò)直接電荷注入來(lái)抑制激子的產(chǎn)生，這與以前對(duì)隧道結(jié)中激子發(fā)射的研究不同，在那里不能排除通過(guò)電荷注入產(chǎn)生激子。最后，這種器件結(jié)構(gòu)不僅為研究隧道過(guò)程的基本方面提供了一個(gè)平臺(tái)，而且也為探索光電子學(xué)、全電傳感和光譜學(xué)的新型器件功能提供了平臺(tái)。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01556-7