圖一 (a)典型雙柵BP晶體管的示意圖。頂柵電壓(VTG)和底柵電壓(VBG)被施加用于控制樣品(DBP)中的載流子密度和電位移場。(b) 干涉儀設(shè)置的示意圖，其中M1，M2和BS分別代表可移動(dòng)鏡子，靜止鏡子和分束器。

2022年，南京大學(xué)王肖沐教授和施毅教授團(tuán)隊(duì)在nature communications發(fā)表了一篇題為《Quantum criticality of excitonic Mott metal-insulator transitions in black phosphorus》文章，報(bào)道了黑磷中激子Mott金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的光譜學(xué)和傳輸現(xiàn)象。通過光激發(fā)來不斷調(diào)控電子-空穴對的相互作用，并利用傅里葉變換光電流譜學(xué)作為探針，測量了在不同溫度和電子-空穴對密度參數(shù)空間下的電子-空穴態(tài)的綜合相圖。

樣品 & 測試

文章使用鎖相放大器OE1022對材料的傳輸特性進(jìn)行測量，研究中使用了帶有雙柵結(jié)構(gòu)(TG,BG)的BP器件，如圖1(a)所示，約10納米厚的BP薄膜被封裝在兩片六角形硼氮化物(hBN)薄片之間，為了保持整個(gè)結(jié)構(gòu)的平整度，使用了少層石墨烯薄片來形成源極、漏極和頂柵接觸，以便在傳輸特性測量中施加恒定的電位移場。

在實(shí)驗(yàn)中，邁克耳孫干涉儀的光程被固定在零。直流光電流直接通過半導(dǎo)體分析儀(PDA FSpro)讀取。光電導(dǎo)則采用標(biāo)準(zhǔn)的低頻鎖相方案測量，即通過Keithley 6221源施加帶有直流偏置的11Hz微弱交流激勵(lì)電壓(1毫伏)至樣品，然后通過鎖相放大器(SSI OE1022)測量對應(yīng)流經(jīng)樣品的電流。

圖二(a)在不同激發(fā)功率下，綜合光電流隨溫度的變化。100% P = 160 W/cm2。(b) 在每個(gè)激發(fā)功率下歸一化到最大值的光電流。(c)從傳輸特性測量中提取的與溫度T相關(guān)的電阻率指數(shù)為函數(shù)的相圖，作為T和電子-空穴對密度的函數(shù)。(d)不同電子-空穴對密度在過渡邊界附近的電阻率與溫度的關(guān)系

總結(jié)

該文設(shè)計(jì)了一種帶有雙柵結(jié)構(gòu)的BP器件，通過測量器件的傅里葉光電流譜和傳輸特性，觀測到從具有明顯激子躍遷的光學(xué)絕緣體到具有寬吸收帶和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的金屬電子-空穴等離子體相的轉(zhuǎn)變，并且還觀察到在Mott相變邊界附近，電阻率隨溫度呈線性關(guān)系的奇特金屬行為。文章的結(jié)果為研究半導(dǎo)體中的強(qiáng)相關(guān)物理提供了理想平臺(tái)，例如研究超導(dǎo)與激子凝聚之間的交叉現(xiàn)象。

審核編輯 黃宇