一、研究背景

二维（2D）晶体的分离与制造技术的进步使得新型材料的实现成为可能，这些材料被称为范德华异质结构，其中不同的原子层以所需的顺序组合在一起。由石墨烯、六方氮化硼（hBN）、TMDs和其他二维材料组成的定制异质结构目前被设计成显示单个成分所没有的特性，从而为基础研究和新型器件应用提供了一个平台。在这方面，具有不同材料组合的隧道结构成了研究电子隧道过程的有趣系统。以前的实验表明，在金属-绝缘体结、传统的半导体异质结构和基于石墨烯的系统中，都有声子辅助的共振电子隧穿。同样地，在传统的半导体量子阱中也观察到了激子辅助的共振隧穿。在银纳米棒和石墨烯基结构的金属量子阱结构中，已经研究了等离子体辅助共振隧穿。此外，在基于hBN的结中也观察到了缺陷辅助的共振隧穿的证据。

二、研究成果

在这里，苏黎世联邦理工学院Lukas Novotny团队展示了范德华隧道结中激子辅助的共振电子隧穿。他们的电子传输测量显示了明显的共振峰，这些峰在能量上与TMD激子重合。他们研究了TMD/石墨烯/hBN/Au隧道结的电流-电压（I-V）特性，并将其与无TMD的参考结构进行比较。尽管TMD被置于电子隧道通路之外，但在微分电导率（dI/dV）测量中观察到的共振与TMD激子的能量一致。这些共振可以用一个涉及间接激子的一步过程和涉及声子和直接激子的两步过程来解释。这两个过程都保留了能量和面内动量。由于TMD单层（如WS2、MoS2、WSe2和MoSe2）的激子结合能很大，在室温下可以观察到共振特征。虽然TMD中的激子-声子相互作用已经通过光学方法进行了研究，但他们的研究在电子传输测量中直接观察到了这种相互作用，揭示了激子在隧穿过程中参与动量守恒的方式。除了基本的兴趣之外，他们的工作还建立了一个平台，用于调查TMDs中激子产生所涉及的物理过程。相关研究工作以“Exciton-assisted electron tunnelling in van der Waals heterostructures”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。祝贺！

三、图文速递

他们的参考装置如图1a所示，石墨烯和金电极被一层3-4 nm的绝缘hBN隔开。在两个电极之间施加一个偏置电压，产生通过hBN势垒的隧道电流。图1b描述了正偏压Vb下的带状图。非弹性电子隧道过程，由扭结的箭头表示，可以由结构的不同模式介导，包括声子、缺陷、光子和表面等离子体激元。在图1c中，这样一个装置的测量I-V曲线以红色标出，其特点是在两个极性中都对Vb有近乎指数的依赖，这与以前的报告一致。为了获得进一步的了解，他们评估了微分电导率dI/dV，在图1c中以蓝色显示。该图显示了偏置电压的不对称性（也就是说，负Vb的微分电导增加得更快）。这可以通过负偏置压时Au中电子状态密度的突然增加来理解。此外，在零偏压区域附近可以观察到一些微小的特征，如图1c的插图所示。在Vb = 0 V附近出现的最小值被认为是由石墨烯声子辅助的非弹性电子隧道的标志。后者介导了金和石墨烯中的电子状态之间的面内动量失配。

为了证实他们的发现，他们对具有不同类型TMD单层的器件进行了随温度变化的测量。他们对WS2、MoS2、WSe2和MoSe2的结果显示在图2a-d。对于所有这些TMD，他们观察到，随着温度的降低，共振变得更加尖锐和强烈，他们把这种效果归因于电极中的电子分布和激子共振的热拓宽程度降低。

他们的电致发光（EL）测量提供了激子辅助电子隧道的进一步证据。由共振电子隧穿产生的激子可以通过辐射性电子-空穴重组而部分衰变。如图3c所示，这种辐射性衰变在测量的电致发光光谱中产生了一个独特的峰值。图3a说明了一个基于MoSe2的器件的布局。电子在石墨烯、hBN和Au电极重叠的区域（由白色虚线围成的区域）进行隧穿。红色多边形所示的MoSe2单层被置于石墨烯层的正上方。左边的两个电极作为与石墨烯的电触点。图3b中的照片显示，当施加电压Vb = 2.5 V时，观察到EL。该发射被限制在MoSe2单层与隧道装置重叠的区域。图3c中绘制了不同偏置电压下的发射光谱。以~1.57 eV为中心的峰值与以前的研究一致，并且根据他们的光致发光光谱测量，可以将其分配给MoSe2的A激发子（补充表2）。然而，请注意，图2d所示的差分电导率测量中的相应峰值出现在比A激子能量更高的电压下，表明与高阶激子的耦合。图2中其他三个TMD器件的EL强度低于他们的检测阈值，因为他们使用了相当厚的hBN间隔物来防止击穿，所以产生的电流密度比MoSe2器件的电流密度低两个数量级以上。

他们继续从理论上探索负责共振隧穿和EL的机制。如图4a,b所示，隧穿过程涉及到能量和面内动量的守恒，对此，石墨烯和金之间存在着明显的失配。此外，隧穿有利于最终的电子金态，具有较大的平面外能量，接近hBN间隔物的导带。因此，最终状态的动量位于相关材料的表面投影的Γ点附近，如图4b所示，他们观察到当远离Γ点时，金束缚电子的电子溢出量急剧减少，在平行波矢量k∥的空间中对应k∥=0。因此，预计隧穿将由该材料中靠近Kg点的石墨烯电子向其位于表面投影的Γ点的费米级附近的金态跃迁为主，涉及到约17nm-1的大型面内波矢量转移。声子可以提供如此大的动量，事实上，石墨烯和hBN有类似的面内晶格参数（2%的失配），所以这两种材料中的声子（频率ωp）可以帮助准弹性隧道，引起了在低偏压Vb≈ħωp/e≈65 mV（ħ，减少的普朗克常数）观察到的特征，见图1c,f并与以前的研究一致。

四、结论与展望

总之，他们已经证明了在石墨烯/hBN/Au隧道结中的激子辅助的共振电子隧穿，TMD单层被置于石墨烯层附近。当偏置电子能量eVb与激子能量相匹配时，这一过程表现为隧道电流的突然增加，导致dI/dV曲线上出现共振峰。观察到的共振峰随着温度的降低而发生的蓝移与光学光谱所显示的相应激子的蓝移是一致的。他们发现，在四个研究的TMD器件中，引起dI/dV曲线中主要共振峰的激子状态是不同的。他们从理论上解释了他们的测量结果，即涉及间接或直接激子的电子隧道机制。间接激子可以提供从石墨烯到金的隧道所需的能量和面内动量，而直接激子需要声子提供额外的面内动量。他们的发现通过光学测量得到了进一步的证实，它显示了由非弹性电子隧穿驱动的激子发光。在他们的器件中，TMD层被置于电子隧穿路径之外，这使他们能够通过直接电荷注入来抑制激子的产生，这与以前对隧道结中激子发射的研究不同，在那里不能排除通过电荷注入产生激子。最后，这种器件结构不仅为研究隧道过程的基本方面提供了一个平台，而且也为探索光电子学、全电传感和光谱学的新型器件功能提供了平台。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01556-7