鎖相放大器應用在黑磷中激子Mott金屬絕緣體轉變的量子臨界現象測量
【概述】
2022年，南京大學王肖沐教授和施毅教授團隊在nature communications發表了一篇題為《Quantum criticality of excitonic Mott metal-insulator transitions in black phosphorus》文章，報道了黑磷中激子Mott金屬-絕緣體轉變的光譜學和傳輸現象。通過光激發來不斷調控電子-空穴對的相互作用，并利用傅里葉變換光電流譜學作為探針，測量了在不同溫度和電子-空穴對密度參數空間下的電子-空穴態的綜合相圖。
【樣品 & 測試】
文章使用鎖相放大器OE1022對材料的傳輸特性進行測量，研究中使用了帶有雙柵結構(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，為了保持整個結構的平整度，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。
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) 干涉儀設置的示意圖，其中M1，M2和BS分別代表可移動鏡子，靜止鏡子和分束器。
在實驗中，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體分析儀（PDA FSpro）讀取。光電導則采用標準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微弱交流激勵電壓（1毫伏）至樣品，然后通過鎖相放大器（SSI OE1022）測量對應流經樣品的電流。
圖二(a)在不同激發功率下，綜合光電流隨溫度的變化。100% P = 160 W/cm²。(b) 在每個激發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相關的電阻率指數為函數的相圖，作為T和電子-空穴對密度的函數。(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系
【總結】
該文設計了一種帶有雙柵結構的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絕緣體到具有寬吸收帶和粒子數反轉的金屬電子-空穴等離子體相的轉變，并且還觀察到在Mott相變邊界附近，電阻率隨溫度呈線性關系的奇特金屬行為。文章的結果為研究半導體中的強相關物理提供了理想平臺，例如研究超導與激子凝聚之間的交叉現象。
【文獻】
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