本文亮点
全新器件机理：首次提出利用半金属Td-WTe₂费米能级以上态密度（DOS）的“递减区域”模拟超窄带隙，与半导体2H-MoS₂形成type-III broken-gap能带对齐，实现基于带间隧穿的负微分电阻（NDR）效应，为NDR器件设计开辟了新路径。
创纪录性能指标：NDR器件的峰谷电压差（ΔV）低至0.01 V，较此前报道的二维范德华异质结NDR器件至少降低一个数量级；同时实现了约0.2 V的低峰值电压（Vpeak）和约7.34的高峰谷电流比（PVCR）。
温度与栅压可调性：器件在70–230 K温度范围内表现出显著的NDR行为，且可通过背栅电压有效调控，展现出优异的稳定性和可重复性。此外，该机理在WTe₂/MoTe₂异质结中也得到验证，具有良好的普适性。
研究背景
负微分电阻（NDR）器件因其独特的负阻特性，在多值逻辑电路、高频振荡器、高速开关等领域具有重要应用前景。降低峰谷电压差（ΔV）是提升器件截止频率和降低功耗的关键。然而，传统基于二维半导体/半导体异质结的NDR器件受限于材料本身的带隙，ΔV难以进一步缩小。半金属材料通常被认为缺乏带隙，难以呈现NDR所需的隧穿电流下降趋势。然而，Td-WTe₂虽然为半金属，但其费米能级以上存在一个态密度随能量增加而急剧下降的窄能量区间——这一特性在载流子输运中可等效为一个极窄的有效带隙。若能利用这一特性与半导体构建broken-gap异质结，有望获得超低ΔV的NDR器件。
研究内容
针对传统负微分电阻（NDR）器件峰谷电压差（ΔV）难以降低的瓶颈，本研究创新性地提出了利用半金属Td-WTe₂费米能级以上态密度（DOS）的“递减区域”模拟超窄有效带隙的新思路，并基于此构建了Td-WTe₂/2H-MoS₂范德华异质结器件。实验发现，在低温（<230 K）和正栅压条件下，器件输出特性呈现明显的NDR行为，峰谷电压差低至创纪录的0.01 V，同时具有约0.2 V的低峰值电压和约7.34的高峰谷电流比。结合密度泛函理论（DFT）计算和输运机制分析，研究揭示：Td-WTe₂在费米能级以上约0.1 eV范围内存在未占据电子态密度先增后减的“N”形变化，这一递减区域在低温下可等效为超窄带隙，与MoS₂形成type-III broken-gap能带对齐，从而在正向偏压下产生先增后减的带间隧穿电流，实现NDR效应；温度升高时，热展宽抹平了DOS递减趋势，NDR随之消失。进一步在WTe₂/MoTe₂异质结中通过栅压调控同样观察到类似的NDR行为，验证了该机理的普适性。该工作为实现超低ΔV的高性能NDR器件提供了全新设计策略。
图文内容
图1. 器件结构与温度可调的NDR特性
（a）WTe₂/MoS₂异质结器件示意图；（b）光学显微镜照片；（c）拉曼光谱证实Td-WTe₂与2H-MoS₂相；（d）不同温度下（90–230 K）的Ids–Vds曲线，NDR在低温下显著，随温度升高减弱直至消失。
图2. 载流子输运机理
（a）DFT计算的能带结构与态密度；（b）WTe₂在90、130、290 K下的未占据电子态分布，显示低温下的“N”形变化；（c）理论模拟的I–V曲线与实验吻合；（d）F-N隧穿拟合；（e,f）低温和室温下的能带演化示意图，揭示NDR产生的物理根源。
图3. WTe₂/MoTe₂异质结中的NDR验证
（a）器件光学图；（b）能带与DOS；（c）Vgs=60 V时，低温下出现NDR；（d）Vgs=-20 V时无NDR，证实broken-gap是必要条件。
图4. 低温下的温度依赖特性
（a）70–150 K的I–V曲线；（b）费米-狄拉克分布随温度变化，Ipeak和Ivalley均随温度降低而增大；（c）PVCR、Vpeak、Vvalley和ΔV随温度变化，ΔV保持0.01 V恒定。
图5. 栅压调控与性能对比
（a）不同Vgs下的I–V曲线；（b）PVCR、Vpeak等随Vgs变化；（c）能带随Vgs演化示意图；（d）与已报道二维NDR器件的ΔV–Vpeak对比，本工作同时实现最低ΔV和低Vpeak，处于领先地位。
研究结果
本研究首次揭示了Td-WTe₂中递减态密度区域在输运中可等效为“超窄带隙”的独特现象，并基于此成功构建了具有创纪录超低峰谷电压差（ΔV ≈ 0.01 V） 的NDR器件。该器件同时具备低峰值电压、高峰谷电流比以及温度/栅压可调性，在低功耗射频模拟电子、多值逻辑电路和高频振荡器等领域展现出广阔的应用前景。这一工作不仅为高性能NDR器件的设计提供了全新思路，也深化了对半金属材料载流子输运机制的理解，拓展了二维范德华异质结构在新型电子器件中的应用边界。该研究成果以“Negative Differential Resistance with Ultralow Peak-to-Valley Voltage Difference in Td-WTe2/2H-MoS2 Heterostructure”为题于2024年9月发表于《Nano Letters》上，天津大学精密仪器与光电子工程学院2023级硕士研究生（现为2025级博士研究生）霍仕达为论文第一作者，天津大学副教授武恩秀为论文通讯作者, 天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室为论文第一单位。
该论文在Materials Science领域近十年的被引频次已进入同出版年论文的前1%，被认定为高被引论文。
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03263。
团队介绍
天津大学武恩秀课题组依托于天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室，专注于二维原子层半导体器件输运特性研究及应用，包括以传感新机理探究和高性能传感器研制为突破点，研究多物理场耦合作用下的新型微纳传感器；基于二维范德华异质结的高容量存储器和新型逻辑存内运算器件；以类突触晶体管、忆阻器为核心的存算一体化器件和感存算一体化器件。近五年，团队承担国家自然科学基金青年/面上/培育、国家重点研发计划子课题等多个国家级科研项目。迄今，团队多项研究成果已发表在Science Advances，ACS Nano，Advanced Functional Materials，Nano Letters，SmartMat，InfoMat，Nano Research ，Rare Metals等国际著名学术期刊。实验室培养了一批高水平科研人才，多人荣获研究生“国家奖学金”、天津大学“优博基金”等荣誉称号。
