栅压调控原子级薄层Ta2NiSe5中电子-结构耦合相变的机理研究

《Nature Communications》：Gate tuning of coupled electronic and structural phase transition in atomically thin Ta2NiSe5

本研究针对Ta2NiSe5是否实现激子绝缘体相这一争议问题，通过厚度依赖和场效应掺杂的拉曼光谱与电输运测量，发现其相变在单层极限依然存在且临界温度随厚度减小而升高。双栅极掺杂实验表明，电子和空穴掺杂均抑制绝缘态，但准弹性散射信号随掺杂单调变化，与激子涨落被库仑屏蔽压制的预期不符。这些结果排除了主导的激子机制，支持了电子-声子耦合驱动的结构相变机制，为识别激子绝缘体提供了新的掺杂调控策略。

　　

在凝聚态物理领域，实现激子绝缘体（Excitonic Insulator, EI）相被视为探索电子驱动相变和宏观量子相干现象的重要方向。当半导体或半金属中未屏蔽的库仑作用导致电子-空穴形成束缚态（激子），且其结合能超过能隙时，这些复合玻色子可能在低温下凝聚为宏观量子态——激子绝缘体。尽管在人工双层系统中已取得进展，但在天然体材料中确认EI相仍面临挑战，主要难点在于难以区分电子起源与晶格贡献的相互作用。

Ta₂NiSe₅作为直接带隙半导体，因其避免有限波矢电荷密度波（CDW）的复杂性，被广泛认为是EI的候选材料。角分辨光电子能谱（ARPES）曾显示其价带顶扁平化，光学实验也揭示了激子-声子耦合特征，但该材料同时存在结构相变，使得其绝缘态究竟源于激子凝聚还是晶格畸变成为长期争议的焦点。理论工作对此意见分歧：部分研究认为激子凝聚可驱动结构相变，另一部分则强调结构相变本身才是能隙打开的主因。这种电子与结构效应的纠缠不仅存在于Ta₂NiSe₅，也普遍困扰着其他EI候选体系的研究。

为厘清这一争议，南京大学、上海科技大学等团队在《Nature Communications》上发表研究，提出通过载流子掺杂调控来鉴别激子绝缘体属性的新方法。其核心思路是：若体系以激子机制为主导，则电子和空穴掺杂均会增强库仑屏蔽，从而压制激子关联；若绝缘态主要由电子-声子耦合的结构相变所主导，则其 doping 依赖性将呈现不同规律。为此，研究人员制备了原子级薄层Ta₂NiSe₅样品，利用双栅极场效应晶体管实现宽范围载流子掺杂，结合拉曼光谱与电输运测量，系统研究了厚度与掺杂对相变行为的影响。

研究中关键实验技术包括：机械剥离法制备薄层样品、六方氮化硼（hBN）封装保护、双栅极场效应晶体管结构实现纯载流子掺杂调控、变温拉曼光谱测量（532 nm激光激发）、以及电输运测量（锁相放大技术）。所有拉曼数据均在背散射几何下采集，入射功率控制在0.2 mW以避免热效应。掺杂浓度通过双栅电压独立调控，确保电场影响最小化。

耦合电子与声子激发

体材料Ta₂NiSe₅在高温下为正交相（空间群Cmcm），由沿b轴范德华堆叠的链状结构组成。低于T_C=328 K时，系统发生二级相变至单斜相（C2/c），伴随Ta原子链的剪切位移，破坏面内镜面对称，产生反铁电或铁旋转序。拉曼谱中，位于约70 cm^–1的声子模（模2）与准弹性散射（QES）在相变点附近发生显著变化，且二者对称性兼容（正交相为B_2g，单斜相为A_g），表明电子涨落与晶格振动存在强耦合。

厚度依赖性

通过光学对比度、原子力显微镜和拉曼频移确认样品厚度，发现相变可延续至单层极限，且T_C随厚度减小而升高。拉曼测量显示，模5频率随厚度系统变化，而模2与QES的谱权重在T_C处出现极值。拟合分析表明，QES谱权重随温度呈高斯分布，其峰值温度作为T_C的指标，在单层中显著高于体材料。电输运测量也证实，电阻温度导数的拐点对应的T_C在薄层样品中升高，与拉曼结果一致。

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掺杂对电输运的影响

在双栅极器件中，沿电荷中性线调节载流子浓度，发现电子和空穴掺杂均抑制绝缘态，电阻峰值随掺杂增加而降低。阿伦尼乌斯曲线显示存在两个热激活能隙：高能隙Δ₁在高温区主导，强烈依赖掺杂浓度；低能隙Δ₂在低温区主导，在掺杂高于10¹³cm^–2时基本不变。Δ₂可能源于缺陷态，而Δ₁的演化与激子机制预期的化学势移动不符，更支持结构相变机制。

掺杂对拉曼散射的影响

拉曼电导成像进一步揭示QES的掺杂依赖行为：在150 K，QES在零掺杂时几乎消失，但被电子掺杂诱导出现；在300 K（接近T_C），QES已在零掺杂存在，并被电子掺杂增强、空穴掺杂抑制；在400 K（高于T_C），QES的掺杂依赖趋势反转。这种单调变化与激子涨落被双掺杂压制的预期相矛盾。模2的参数（频率、振幅、1/|q|）也显示单调掺杂依赖，尤其在电子掺杂侧变化显著，与Ta-5d轨道电子态耦合增强一致。

讨论与结论

本研究通过厚度与掺杂双调控，揭示了Ta₂NiSe₅中相变机制的非激子起源。QES的单调掺杂演化、T_C随厚度升高、以及声子模的软化行为，均支持相变由电子-声子耦合驱动的结构不稳定性主导。先前被认为反映激子涨落的QES，实际与动态晶格涨落（如X射线散射发现的链间剪切模）密切相关，其在T_C处的峰值反映涨落冻结过程。

C与涨落温度宽度ΔT的掺杂依赖；d-f 模2频率、振幅、1/|q|的二维彩图及选定掺杂切面。'>

该工作提出的掺杂调控策略为鉴别激子绝缘体提供了普适性方法，且双栅极技术兼容ARPES、STM等探测手段，可推广至其他范德华EI候选体系。结果表明，Ta₂NiSe₅的绝缘态本质为耦合电子-结构相变，其稳定性可通过载流子浓度调节，这一认识解决了长期争议，并为设计新型可控量子相变材料指明了方向。