鐵基超導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)的高分辨角分辨光電子能譜研究.pdf

1、作為新發(fā)現(xiàn)的第二類高溫超導(dǎo)體，鐵基超導(dǎo)體(iron-based superconductors)具有種類繁多的結(jié)構(gòu)和組分，并由此呈現(xiàn)出豐富多彩的電子基態(tài)物理相圖；另一方面，銅基高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理仍然懸而未決，需另辟蹊徑來進(jìn)一步探索，因此凝聚態(tài)物理學(xué)界掀起了一股研究鐵基超導(dǎo)體的熱潮。由于費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)電子不僅決定了固體的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，而且參與了超導(dǎo)配對(duì)，對(duì)它的研究將有利于揭示其超導(dǎo)機(jī)理。而角分辨光電子能譜技術(shù)作為目前唯一

2、能夠同時(shí)測(cè)量固體中費(fèi)米能級(jí)附近電子的能量、運(yùn)動(dòng)方向和散射性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)工具，它和同步輻射技術(shù)的完美結(jié)合可以更加有效地研究各種材料的電子結(jié)構(gòu)、相變和其中的各種有序現(xiàn)象。本文主要圍繞鐵基超導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)及其在低溫下所呈現(xiàn)的如超導(dǎo)和自旋密度波有序等基態(tài)產(chǎn)生的物理機(jī)理，利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)對(duì)其開展了一系列的研究，并得到了如下一些結(jié)果：
　　 1.我們利用角分辨光電子能譜技術(shù)對(duì)CaFe2As2母體正常態(tài)和自旋密度波有序態(tài)下的電子結(jié)構(gòu)

3、進(jìn)行研究。其中CaFe2As2能帶的色散曲線隨溫度的演化表明能帶的劈裂和移動(dòng)是在進(jìn)入自旋密度波態(tài)后發(fā)生的。由于能帶的劈裂和移動(dòng)在費(fèi)米能級(jí)以下很大的能量尺度都存在，并且在費(fèi)米面上沒有能隙打開，因此能帶折疊和費(fèi)米面嵌套圖像不能解釋在自旋密度波態(tài)下電子結(jié)構(gòu)發(fā)生的顯著重構(gòu)。另外，我們發(fā)現(xiàn)在自旋密度波有序態(tài)下M點(diǎn)附近存在不對(duì)稱的費(fèi)米面性質(zhì)(一個(gè)是電子型口袋，另一個(gè)是空穴型口袋)，這可以用三維小費(fèi)米面隨kz的變化來解釋。
　　 2.利用角分

4、辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)我們首次揭示了略微過摻雜的BaFe2-xCoxAs2超導(dǎo)樣品中的能帶結(jié)構(gòu)及其超導(dǎo)能隙在三維布里淵區(qū)的分布。我們的研究表明略微過摻雜樣品和最佳摻雜樣品在布里淵區(qū)中心的費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很大，同時(shí)所有能帶的超導(dǎo)能隙在面內(nèi)各向同性且沒有能隙節(jié)點(diǎn)，這就排除了自旋漲落理論提出的由于費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致配對(duì)對(duì)稱性的改變。另外有一條能帶的超導(dǎo)能隙表現(xiàn)出一定的kz依賴關(guān)系，而其它兩條能帶的能隙沿kz方向在誤差范圍內(nèi)均勻分布。

5、　　 3.利用角分辨光電子能譜技術(shù)和能帶計(jì)算我們首次詳細(xì)研究了11體系的電子結(jié)構(gòu)。11體系的超導(dǎo)體具有最簡(jiǎn)單的層狀結(jié)構(gòu)，但是其母體表現(xiàn)出來的性質(zhì)和其它鐵基超導(dǎo)體都截然不同，因此研究其電子結(jié)構(gòu)，并和其它鐵基超導(dǎo)體進(jìn)行比較有著十分重要的意義。我們的角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論揭示了FeTe1-xSex超導(dǎo)體在費(fèi)米能級(jí)附近的電子結(jié)構(gòu)，并利用偏振依賴實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明了能帶結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。角分辨光電子能譜實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和密度泛函理論相一致。同鐵砷

6、化合物相比，盡管它們大部分能帶結(jié)構(gòu)很相似，但是也有一些明顯差異，特別是它們?cè)陧槾艖B(tài)下Γ點(diǎn)附近的電子結(jié)構(gòu)。我們的結(jié)果給出了關(guān)于Fe1.04Te0.66Se0.34電子結(jié)構(gòu)的綜合圖像，同時(shí)闡明了鐵基超導(dǎo)體中陰離子的作用。
　　 4.利用角分辨光電子能譜和透射電子譜技術(shù)，我們研究了各種KxFe2-ySe2相。利用荷電效應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體/半導(dǎo)體中存在超導(dǎo)相/半導(dǎo)體相和絕緣相，而透射電子譜的研究進(jìn)一步表明這個(gè)相分離是發(fā)生在介觀尺度的，于

7、是我們?yōu)槌瑢?dǎo)體和半導(dǎo)體中存在的相分離首次提供了電子結(jié)構(gòu)上的證據(jù)。同時(shí)我們第一次給出了KxFe2-ySe2超導(dǎo)體的各個(gè)可能母體的電子結(jié)構(gòu)，其中兩種絕緣相的能帶和超導(dǎo)相的相比存在著譜重轉(zhuǎn)移，這代表著類似莫特絕緣體能隙的打開；另一方面，半導(dǎo)體相和超導(dǎo)體相有著類似的電子結(jié)構(gòu)，并且它可以通過電子摻雜得到超導(dǎo)體，因此半導(dǎo)體相很可能是超導(dǎo)相的母體。我們?cè)诔瑢?dǎo)相和半導(dǎo)體相的電子結(jié)構(gòu)研究中沒有發(fā)現(xiàn)能帶重構(gòu)，這表明兩個(gè)相中不存在磁有序和空穴有序?？傊?，我們

8、的結(jié)果不僅能夠解釋這類材料里面各種各樣的奇異性質(zhì)，而且為理解這類新型鐵基高溫超導(dǎo)體的微觀性質(zhì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 5.利用偏振依賴的角分辨光電子能譜技術(shù)我們首次詳細(xì)確定了KxFe2-ySe2超導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)附近能帶的軌道特性。我們的研究表明KxFe2-ySe2超導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)附近的大部分軌道特性和其它鐵基超導(dǎo)體比較類似，但也有其獨(dú)特之處。另外，我們?cè)诓祭餃Y區(qū)頂角處發(fā)現(xiàn)兩個(gè)簡(jiǎn)并的費(fèi)米面，這表明它們之間的相互作用力很弱。我們得到的K