港澳宝典资料大全Nat. Commun.：王肖沐课题组揭示黑磷中激子Mott金属绝缘体转变的量子临界现象

首先作者设计了一种三明治黑磷光电探测器件如图1(a)所示，在285 nm二氧化硅的硅衬底上覆盖一薄层（~5 nm）氮化硼,然后覆盖约为10 nm的黑磷，采用转移的石墨烯作为源漏接触，最后覆盖20 nm左右的氮化硼，所有的操作都是在手套箱内完成，确保得到高质量黑磷薄膜器件，最后制作金电极和外电路连接（器件原型为图1(b)左下光学显微镜照片）。相比于光发射谱，光电流吸收谱能够真实而全面反映半导体能带结构和物理特性，包括非辐射复合特征以及载流子输运特性，该研究中采用了基于迈克尔孙干涉仪的傅里叶光电流测试系统如图1（b）所示，系统测试不同温度和光强下光电流响应谱和电学输运特性，测试光电流时器件源漏电压为1V，双栅调制使得沟道处在零掺杂的本征状态，真实反映了本征黑磷的性质。

图2 黑磷量子相变临界示意图和不同温度和激子浓度光电流吸收谱和Hubbard模型

更进一步，通过精细测试不同温度以及不同激子浓度光电流谱和光电流输运谱，绘制了激子浓度、温度和各种相：激子气体(exciton gas, EG)、中间金属态(intermediate metal, IM)和电子-空穴等离子体(electron hole plasma, EHP）之间关系图(图3 (a))。在这种体系中，电子空穴对间的库仑势U关系决定了系统的性质：在极低激子浓度下，由于激子内电子空穴结合能比较大，对应于半填充的Hubbard绝缘态，这时候表现出的是激子气体特性；随着激子浓度增大，多体相互作用导致电子-空穴受到空间电荷屏蔽，库伦势U显著减小，电子空穴对转化为金属性的等离子体，在这种物态下，沟道的导电性增强。Mott金属绝缘体相变过程通过电学输运测试得到进一步证实如图3(c)：激子浓度低是电阻率随温度升高而减小，高浓度时电阻率和温度关系满足，与此同时发现了不同寻常的奇异金属特性，奇异金属特性通常指与费米液体相作用的一类不同寻常的金属，它的电阻率只决定于由温度（散射率和散射长度）一个参量，而这一点揭示了量子临界现象发生。值得一提的是，黑磷激子Mott相变可以在~80K、浓度为~10¹²/cm²发生,这比普通块体半导体材料发生Mott转变的条件容易实现很多。