鐵基超導體電子結(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)的第二類高溫超導體，鐵基超導體(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，銅基高溫超導體的超導機理仍然懸而未決，需另辟蹊徑來進一步探索，因此凝聚態(tài)物理學界掀起了一股研究鐵基超導體的熱潮。由于費米能級附近的價電子不僅決定了固體的電學、磁學、光學和熱學性質(zhì)，而且參與了超導配對，對它的研究將有利于揭示其超導機理。而角分辨光電子能譜技術(shù)作為目前唯一

2、能夠同時測量固體中費米能級附近電子的能量、運動方向和散射性質(zhì)的實驗工具，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體的電子結(jié)構(gòu)及其在低溫下所呈現(xiàn)的如超導和自旋密度波有序等基態(tài)產(chǎn)生的物理機理，利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)對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是在進入自旋密度波態(tài)后發(fā)生的。由于能帶的劈裂和移動在費米能級以下很大的能量尺度都存在，并且在費米面上沒有能隙打開，因此能帶折疊和費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點附近存在不對稱的費米面性質(zhì)(一個是電子型口袋，另一個是空穴型口袋)，這可以用三維小費米面隨kz的變化來解釋。
　　 2.利用角分

4、辨光電子能譜實驗我們首次揭示了略微過摻雜的BaFe2-xCoxAs2超導樣品中的能帶結(jié)構(gòu)及其超導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)中心的費米面拓撲結(jié)構(gòu)變化很大，同時所有能帶的超導能隙在面內(nèi)各向同性且沒有能隙節(jié)點，這就排除了自旋漲落理論提出的由于費米面拓撲結(jié)構(gòu)變化而導致配對對稱性的改變。另外有一條能帶的超導能隙表現(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)和能帶計算我們首次詳細研究了11體系的電子結(jié)構(gòu)。11體系的超導體具有最簡單的層狀結(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)，并和其它鐵基超導體進行比較有著十分重要的意義。我們的角分辨光電子能譜實驗和密度泛函理論揭示了FeTe1-xSex超導體在費米能級附近的電子結(jié)構(gòu)，并利用偏振依賴實驗進一步說明了能帶結(jié)構(gòu)的對稱性。角分辨光電子能譜實驗的結(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，特別是它們在順磁態(tài)下Γ點附近的電子結(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，同時闡明了鐵基超導體中陰離子的作用。
　　 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)超導體/半導體中存在超導相/半導體相和絕緣相，而透射電子譜的研究進一步表明這個相分離是發(fā)生在介觀尺度的，于

7、是我們?yōu)槌瑢w和半導體中存在的相分離首次提供了電子結(jié)構(gòu)上的證據(jù)。同時我們第一次給出了KxFe2-ySe2超導體的各個可能母體的電子結(jié)構(gòu)，其中兩種絕緣相的能帶和超導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，半導體相和超導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體，因此半導體相很可能是超導相的母體。我們在超導相和半導體相的電子結(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體的微觀性質(zhì)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
　　 5.利用偏振依賴的角分辨光電子能譜技術(shù)我們首次詳細確定了KxFe2-ySe2超導體費米能級附近能帶的軌道特性。我們的研究表明KxFe2-ySe2超導體費米能級附近的大部分軌道特性和其它鐵基超導體比較類似，但也有其獨特之處。另外，我們在布里淵區(qū)頂角處發(fā)現(xiàn)兩個簡并的費米面，這表明它們之間的相互作用力很弱。我們得到的K