《铁基超导体铁位掺杂替换体系的角分辨光电子能谱研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铁基超导体铁位掺杂替换体系的角分辨光电子能谱研究（130页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、国作者姓名：指导教师：学位类别：学科专业：培养单位：密级中国科学院大学U n i v e r s i t yo f C h i n e s eA c a d e m yo f S c i e n c e s博士学位论文鲑基超昱焦迭僮竖苤鲎擐倥系鲍鱼盆避迸虫王能登班塞工法班五虽生国叠堂院物堡班墨压堡堂簋越塞盔物堡生国整堂睦物璺班究压2 0 1 2 年1 1 月B yN a nX uAD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oG r a d u a t eU n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo
2、fS c i e n c e sI np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e qu i r e m e n tF o rt h ed e g r e eo fD o c t o ro fS c i e n c eI n s t i t u t eo fP h y s i c s ，C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e sN o v e m b e r , 2 0 1 2摘要超导电性作为一种新奇的宏观量子现象，自从其被发现开始，就成为科研工作者的研究热点。第一类高温超导体铜氧化物的发现，更是将非常
3、规超导的探索和物性研究推至整个凝聚态物理学领域的研究最前沿。直到今日，探索更高超导转变温度的超导体和理论上理解高温超导电性仍是凝聚态物理学领域中最为重要的问题。高分辨角分辨光电子能谱( A R P E S l 因为可以直接探测晶体中的电子动量与束缚能之间依赖关系，即晶体中电子能带结构的色散关系的实验手段，成为高温超导研究中最为重要的实验手段之一。2 0 0 8 年铁基高温超导体的发现，因为其具有种类多样的材料，非常规超导机制，丰富的物理内涵以及潜在的应用前景，迅速成为科研热点，给超导研究领域注入了新的活力。由于铁基高温超导体的能带结构具有多带特征，相对于其他动量空间积分的实验手段来说，角分辨光
4、电子能谱由于其对动量空间的可分辨性，在铁基高温超导体的研究中具有非常大的优势。在本文中，我们首先论述了高分辨率角分辨光电子能谱系统的研制，之后介绍了运用角分辨光电子能谱技术对铁基高温超导体中铁位掺杂替换体系电子结构及其维度、电子关联强度以及超导能隙的研究。论文的具体内容安排如下：在第一章中，我们先简单的介绍了一下低温元素超导体，以及首先被发现的高温超导体：铜氧化物。之后我们详细介绍了铁基高温超导体的发现过程，并从晶体结构的角度出发介绍了铁基高温超导体到目前为止所发现的6 大家族。最后对铁基高温超导体普遍的相图结构以由晶格结构决定的电子结构进行了简单的介绍。在第二章的开始，我们简单回顾一下光电效
5、应，并对从晶体中逃逸的光电子进行理论描述。从中我们可以知道，从单晶表面逃逸的光电子在出射角度上存在一定的分布，对应于单晶中电子在动量空间中的分布。通过研究出射光电子随发射角度和光电子动能直接的关系，角分辨光电子能谱能够直接探测单晶中电子能带结构，进而了解描述系统量子电动力学的场论传播子的性质。通过这些信息，我们可以深入了解材料的电学性质，例如超导电性。我们还从角分辨光电子能谱的量子理论出发，得到其与单粒子谱函数之间的关系。之后还讨论了利用角分辨光电子能谱对能隙的测量，以及其探测深度等。最后介绍了时铁基超导体铁位掺杂替换体系的 角分辨光电子能谱研究间分辨角分辨光电子能谱，以及利用激发一探测的方法
6、测量材料体系中位于费米能以上的未占据态的方法。在第三章，我们将对两台角分辨光电子能谱实验设备的具体细节进行介绍：本实验组的高分辨率角分辨光电子能谱系统，和美国布鲁克海文国家实验室P e t e rJ o h n s o n 小组的激光角分辨光电子能谱。分别就系统不同的组成部分介绍了角分辨光电子能谱的光源，电子分析器，样品控制台，以及括超高真空的获得和维护。另外还对激光系统的搭建和用于产生6e V 激光所用到的倍频装置光路的设计进行了介绍。最后介绍了进行低能光电子能谱需要的剩余磁场屏蔽和抵消方法，以及其他需要注意的要点。在第四章，我们将介绍了利用角分辨光电子能谱和局域密度近似和动力学平均场理论的
7、方法对B a C 0 2 A s 2 材料的研究。我i f I N 用角分辨光电子能谱对B a C 0 2 A s 2 材料的电子结构及费米面进行了研究，发现了与其他铁基高温超导体不同的无嵌套结构的费米面拓扑结构。通过与铁基超导体B a o 6 K o 4 F e 2 A s 2进行比较，研究了洪特耦合相互作用对对体系电子关联强度的影响。最后介绍了B a C 0 2 A s 2 材料中局域磁矩的影响，以及其靠近铁磁量子临界点进行了讨论。在第五章，我们对等价位替换B a ( F e l z R u z ) 2 A s 2 体系( 0 1 5 一鬯己巴QE印卜第一章铁基高温超导体简介5理论解释；最
8、为新奇的现象发生在空穴欠掺杂区域，在反铁磁转变温度和超导转变温度之上出现了赝能隙( P s e u d o g 印) 。目前关于赝能隙的本质，以及其与超导电性的关系还没有定论。继续增加掺杂载流子浓度，库伦排斥力被完全屏蔽，这时超导电性消失，系统金属性增强。这相当于铜氧化物的过掺杂区域，同时恢复了费米液体行为【1 2 1 0角分辨光电子能谱在铜氧化物高温超导机理的研究中发挥了至关重要的作用7 5 1 。首先，测定了其正常态能带结构、费米面等电子结构的基本信息【7 5 】。第二，在空穴欠掺杂区域发现了赝能隙现象 1 4 1 。第三，确定了费米面不同k 点的超导能隙，并通过对超导能隙对称性的分析，为
9、确定铜氧化物为d 波超导体给出了证据1 5 1 。第四，通过对角分辨光电子能谱的线型分析，研究了铜氧化物中电子与系统波色子元激发的相互作用【1 6 2 1 。1 2 铁基超导体1 2 1引言在科学探索的历史中，重要的科学发现一般有两类：一类是因为通过科研的积累或技术上的突破导致的，例如我们之前讨论的元素低温超导体的发现，低温技术的积累和突破性的将氦气液化为其提供了必要条件。另外一类是由敢于突破常规思维的科学家经过坚持不懈的钻研后，有意无意中发现的。我们接下来将要讨论的铁基超导体的发现，更多的属于这一类。1 2 2铁基超导体的发现一直以来，人们都认为磁性作为超导电性的竞争相，会破坏超导电性，无法
10、与之共存。铁原子有较强的局域磁矩，因此在含有铁的化合物中发现超导电性非常的罕见。早期科学家发现含有铁的超导体有T h 7 F e 3 ( 疋= 1 8K ) 2 2 】，u 6 F e ( 疋= 3 9K ) 2 3 】，L u 2 F e 3 S i 5 ( 疋= 6 1K ) 2 4 】o 铁单质在2 0G P a 的高压环境下呈现出超导电性，咒= 1 8K ) 2 5 ，2 乩但是这些超导体的超导转变温度都较低，没有引起凝聚态物理学界的关注。铁基超导体的发现者H o s o n o 在1 9 9 0 年以来对透明半导体的制备和机理有着比较系统的研究，其多项专利得到大规模实际应用。2 0
11、0 5 年开始，H o s o n o小组为了探索新的透明半导体材料，用+ 2 价F e 替换L a O C u C h ( 仍为硫族元素1 系列中+ 3 价的C u ，同时用P 替代( 流来保持电中性。2 0 0 6 年7 月，H o s o n o铁基超导芎嚣篓尊嫠| g ；2Tlo 十_o R t0 8 mox 日O * 一呻i d N i t r o g e n 7 7 KJ ?j 。、，镪。气嚣一。息，。$ 一r 。，& 。置奢嚣7 。+ T i m e：慨御? 勰“却帆1 ”h ”抽。 c 啮图15 铁基高温超导体探索历史：在超导转变温度为2 6K 的铁基超导体被发现的短短几个月里
12、，科学家发现了多个家族的铁基超导体，同时将超导转变温度由2 6K 提高到5 6K ，突破麦克米兰极限。小组的K a m i h a r a 等发现二维层状结构的铁基化合物L a F e P O 在5K 下发生相变，电阻率迅速下降井在32K 时达到零电m 2 7 。磁场下相变温度向低温移动，同时交流磁化率出现抗磁信号。这表明L a F e O P 在低温进入了超导态。 O 位掺F 后，L a F e P O l F 超导转变温度提高到6K 左右超导体积分数也从1 8 提高到9 1 。K a m i h a r a 等认为，这种含有F e 的层状结构化台物是除铜氧化物之外的全新的超导体系。但由于其
13、超导转变温度较低，没有得到广泛的关注。2 0 0 8 年2 月，K a m i h a r a 等继续用A s 代替P ，得到超导转变温度为2 6 K 的L a F e A s O l F 超导体2 8 】。T a k a h a s h i 等对L a F e A s O l 一；B 进行高压实验发现其超导转变温度在4G p a 下由2 6 K 上升为4 3K 2 9 。其他科学家受到高压的实验结果的启发，利用原子半径更小的稀土元素( C d ，S m ，N d P r ，c e ) 代 替L a 由此产生相应的化学压力来提高铁基超导体的超导转变温度。中国科技大学的陈仙辉小组首先制备得到超导
14、转变温度为4 3K 的S m F e A s 0 0 8 5 F o1 5 3 0 1 ，几乎同时，中国科学院物理研究所的王楠林小组发现了超导转变温度为4 1第一章铁基高温超导体简介K 的C e F e A s 0 1 F 口球其后不到一个月，中国科学院物理研究所的任志安等人通过高压方法制各出超导转变温度为5 5K 的S m F e A s 0 08 5 3 2 卜这些发现证明铁基超导体的转变温度突破了麦克米兰理论极限，成为除了铜氧化物高温超导体之外另外一种全新的高温超导体系。之后科学家陆续迅速发现G d o8 T h o2 F e A 8 【3 3 卜S r o5 S m o5 F e A
15、s 3 4 ，C a o N d6 F e A s 3 5 ，等材料其超导温度约为5 6K ，是目前铁基超导体超导转变温度最高纪录。铁基超导体的发现迅速引起了凝聚态物理学界的关注。在其发现的4 个月内，N a t u r e 、S c i e n c e 、P h y s i c sT o d a y 等3 6 _ 4 叫多家著名杂志陆续发表编辑通讯介绍铁基超导研宄的最新进展。S c i e n c e 杂志还将铁基超导体的发现和研究评为2 0 0 8 年世界十大科技进展之一。1 _ 2 3 铁基超导体的晶体结构在随后的研究中，科研工作者在一大批含有F e P n 层( P n 为A s 或者
16、P ) 和F e C h层f c h 为s 、S e 和T e l 的铁基化合物中发现了超导电性。下面我们就从材料的晶体结构的角度分g q 介绍目前所发现的铁基超导体。1 2 3 1F e A l l l l 型铁基超导体然孓：。F e 。LA E 一、o6 。， 一、 rp ，d，图16 ：( 8 ) F e A s - l l l l 型铁基超导体的晶体结构，( b ) 及其F e 原子在a b 面内的反铁磁有序结构疗d妒k即吣铁基超导芎荔舞喾篷；纛譬委F e A s - l l l l 型铁基超导体的母体为R E F e A s O ，f R E = L a ，C e ，P r N d ，S m ，G d ，T b ，D y ) ，以最早发现的L a F e o A s 为代表 2 8 卜其具有z r c u s l A s 结 构，空间群为P 4 ，黼糯，在c 方向为L 扣
