通过石墨烯/氢化硼/石墨烯共振隧穿晶体管中的负微分电阻实现动态振荡

《Materials Science and Engineering: B》：Dynamic oscillation via negative differential resistance in graphene/hBN/graphene resonant tunneling transistors

1.采用撕裂堆叠技术制备了高度对齐的Gr/hBN/Gr共振隧穿晶体管，实现了门控可调的负微分电阻（NDR），通过系统调控石墨烯层数、 twist角、 hBN厚度及结外电阻比，揭示了动量守恒是共振隧穿的核心机制，而能带工程和电压分压效应显著调控NDR行为。集成LC电路后，器件在1.3V超低驱动电压下实现了可调谐振荡，为低功耗低相位噪声振荡器开发提供了新途径。

　　

王瑞雪|王文楠|周红苗|张启瑞|梁磊|罗晓|李文武|刘富才

华东师范大学物理学院，上海200241，中国

摘要

随着现代信息技术的快速发展，振荡器在通信和神经形态计算中变得至关重要，这推动了基于负差分电阻（NDR）的共振隧穿器件的发展，以实现自维持振荡。在这里，我们使用撕叠技术制备了高度对齐的Gr/hBN/Gr共振隧穿晶体管，并实现了栅极可调的NDR效应。通过系统地改变石墨烯层数、扭曲角度、hBN厚度以及器件结与外部电阻的比值，我们发现动量守恒隧穿是NDR的关键机制，而能带结构工程和电压分压效应对其行为有重要影响。最后，我们将该器件集成到LC电路中，展示了一种启动电压低至1.3 V的可调振荡器，突显了石墨烯共振隧穿器件在下一代低功耗、低相位噪声振荡器应用中的潜力。

引言

随着现代信息技术的快速发展，振荡器因其在信息通信和新兴神经形态计算中的不可或缺的作用而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。表现出负差分电阻（NDR）的器件已成为构建高性能自振荡器的核心候选者，因为它们的独特物理特性使得在适当的偏置条件下能够实现自维持振荡[6]、[7]。

共振隧穿二极管（RTD）是最经典的NDR器件类型，自20世纪以来一直受到广泛研究[8]。RTD通常由双势垒量子阱异质结构组成，其中量子阱被夹在两个势垒层之间，形成局域化的电子态[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。当注入电子的能量与量子阱内的离散能级对齐时，会发生强烈的共振隧穿，从而产生明显的峰值电流。随着偏置电压的进一步增加和能级的错位，隧穿概率减小，进入NDR区域[8]。然而，这类器件的性能严重依赖于外延材料生长的精度，且常常存在输出功率不足、工作温度升高和界面散射等问题[13]、[14]。这些限制阻碍了它们在高频、低功耗和大规模集成应用中的更广泛应用[14]。

为了解决这些问题，基于二维材料的单势垒隧穿系统作为一种有前景的高性能NDR器件平台应运而生，因为它们具有原子级平坦的界面、精确可调的能带结构和弱的范德华耦合[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。特别是，当两层石墨烯的狄拉克点对齐时，基于石墨烯的共振隧穿晶体管会表现出NDR效应[20]、[21]、[22]、[23]。与传统双势垒RTD不同，石墨烯RTD采用单势垒隧穿配置，消除了电荷载流子在中央量子阱中的停留时间。由于这种独特的物理机制，这些器件可以在相对较低的驱动电压下实现较高的峰谷电流比（PVR）[24]。栅极电压还可以精确控制电流密度、NDR起始电压和交流振荡输出功率，从而为振荡器应用提供了显著优势[22]、[23]、[25]。然而，由于动量守恒隧穿机制，器件性能对晶体取向、界面清洁度和电荷控制能力非常敏感[26]。因此，要实现适用于振荡器电路的稳健且可重复的NDR效应，需要系统地理解Gr/hBN/Gr结构中调控共振隧穿的各个因素及其优化策略。

在这项工作中，我们采用了撕叠技术来实现石墨烯层之间的高精度晶体对齐，并成功制备了具有栅极可调共振隧穿行为的Gr/hBN/Gr共振隧穿结构。我们系统研究了石墨烯电极层数、层间扭曲角度、势垒厚度以及外部电阻与器件结电阻比值对NDR特性的影响，如图1所示。结果表明，动量守恒隧穿是共振隧穿的关键机制，而能带结构工程和电压分压效应是影响NDR行为的主要因素。此外，通过将器件与LC元件集成，我们构建了一个振荡器电路，并利用Gr/hBN/Gr共振隧穿结构的NDR特性实现了振荡。该振荡器在极低的驱动电压1.3 V下工作，并支持可调操作。这项研究不仅加深了对基于石墨烯系统中的量子传输机制的理解，还突显了石墨烯共振隧穿器件在未来的电子应用和可调振荡器中的潜力。

实验部分

实验步骤

首先，将hBN和单层石墨烯机械剥离到Si/SiO?基底上（SiO?厚度：270 nm）。随后，使用涂有聚碳酸酯（PC）作为封装层的聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章拾取顶部的hBN薄片。接着依次拾取顶部的单层石墨烯、中间的薄hBN和剩余的底部石墨烯。由于两层石墨烯都来自同一单晶薄片，因此只

结果与讨论

器件结构的示意图如图2(a)所示，光学显微照片见图2(b)。一层厚度约为1.2 nm的hBN（图S2(a)）作为隧穿势垒，夹在两层单层石墨烯之间。顶部和底部的石墨烯层来自同一单晶石墨烯薄片，以确保动量守恒，从而实现共振隧穿。对顶部石墨烯层施加偏置电压以

结论

我们利用撕叠技术制备了精确对齐的Gr/hBN/Gr共振隧穿器件，实现了栅极可调的NDR效应。我们建立了一个统一的分析框架，整合了动量守恒、能带结构工程和电压分压效应，以系统地阐明NDR特性。结果表明，实现动量守恒需要较小的扭曲角度，而多层石墨烯的能带结构复杂性提供了额外的

作者贡献声明

王瑞雪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究。王文楠：撰写 – 原稿，实验研究。周红苗：撰写 – 原稿，实验研究。张启瑞：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。梁磊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究。罗晓：撰写 – 原稿，指导。李文武：撰写 – 审稿与编辑，指导。刘富才：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（92477115、62274024、U25A20482、62374043）、国家重点研发计划（2020YFA0309200）、四川省科技计划（2025ZYD0182、2024YFHZ0264、2024NSFSC1002）、四川省显示科学技术重点实验室、复旦大学基础研究试点计划（21TQ1400100（25TQ001）、国家集成电路材料重点实验室（SKLJC-K2025-04）以及国家关键的支持。