应用案例

实验名称：黑磷中激子凝聚与超流性的观测研究

实验目的：本研究旨在通过双栅极少层黑磷器件，结合傅里叶变换红外光电流光谱技术，观测激子绝缘体态的形成特征，验证其光谱突变与电荷压缩率突变的相变判据，确认激子凝聚态呈现的类BCS温度依赖关系及临界温度，并通过本征光电流消失现象论证激子玻色子超流性的存在，为强关联多体物理研究提供新的实验平台。

测试设备：X傅里叶变换红外光谱仪、中红外超连续激光光源、40×/0.5NA反射式显微物镜、低温光学恒温器、半导体分析仪、低噪声电流前置放大器、锁相放大器（ATA-5810）、光电斩波器、振镜扫描系统、红外中性密度滤光片组、标准电子束光刻与蒸发镀膜设备。

实验过程：首先采用干转移工艺制备双栅极少层黑磷异质结构，以hBN作为上下封装层，石墨烯作为源漏及栅极电极，并在惰性氛围中完成Cr/Au欧姆接触的制作。随后将器件置于闭循环低温恒温器中降温至5K，搭建傅里叶变换红外光电流测试系统；利用迈克尔逊干涉仪调制中红外激光，经40倍显微物镜聚焦于器件表面（光斑约9μm）。实验过程中，通过半导体分析仪同步调控顶/底栅电压以改变垂直电位移场，利用宽带激光进行光泵浦以产生非平衡电子-空穴对。在此基础上，系统开展了不同黑磷厚度、不同光泵浦功率下的光谱扫描，重点针对8-10层样品进行了电位移场扫描以捕捉相变信号，并完成了5K至20K以上的变温测试以确定临界温度。

图1：器件结构与测量装置

(a)傅里叶变换红外光电流光谱仪系统示意图(b)左图：hBN封装的双栅极黑磷（BP）器件横截面。

右图：典型器件的光学显微照片。(c)图(b)中器件的光电流映射图。

实验结果：在适度的电位移场与光泵浦条件下，8-10层黑磷器件的光电流谱发生了显著突变：由宽带的连续吸收响应急剧转变为单一尖峰响应，同时电荷压缩率（∂I/∂Vg）出现跃升，标志着系统完成了金属相到激子绝缘体相的转变。理论计算表明，随着电位移场增强，黑磷带隙逐渐闭合，当激子结合能超过带隙时即诱发相变。温度依赖性测试显示，该激子绝缘体态呈现典型的类BCS特征，临界温度约为17K。尤为重要的是，在激子绝缘体形成瞬间，黑磷本征沟道在较宽能量范围内的光电流完全衰减至噪声基底以下，且该“零电流”状态在合理的面内电场扰动下保持稳定，这直接证明了束缚的电子-空穴对以无耗散的超流体形式输运，为激子超流性提供了确凿的实验证据。

图2：黑磷的傅里叶变换红外光电流光谱。

(a)具有不同层数的BP的典型光电流光谱(b)11层样品在不同光泵浦功率下的光电流光谱(c)BP能带色散示意图(d)空间间接激子的能级图解

图3：双栅极BP的位移电场依赖性

(a)在不同固定的顶栅电压Vtg下，BP电导随底栅电压Vbg变化的函数关系。

对于(b)P=130W/cm2和(c)P=13W/cm2两种泵浦条件，10层BP的归一化光电流光谱作为位移电场函数的演变过程。

瀑布图显示了沿顶部面板白色虚线选取的、在不同位移电场D下的光电流光谱。

红色光谱显示了激子绝缘体（EI）态。黑色三角形标记了空间间接激发峰。

锁相放大器在此应用中的产品优势：

锁相放大器配合低噪声前置放大器，构成了高灵敏度的信号探测核心，能够精准提取微弱的电流信号，是识别“噪声基底级零光电流”这一激子超流关键特征的技术保障。它与傅里叶变换红外光谱系统协同工作，实现了能量分辨的光电流探测，使研究人员能够清晰区分体相激子与空间间接激子的不同吸收通道，从而精准捕捉到相变过程中细微而关键的光谱特征突变。此外，配合半导体分析仪提供的稳定双栅调控，共同完成了对激子凝聚态的全面表征。

【推荐产品】：ATA-5810锁相放大器

图：ATA-5810锁相放大器指标参数

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