铁硒薄膜和空穴掺杂铁砷超导体的角分辨光电子能谱研究

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超导是凝聚态物理中最具吸引力的现象和未解之谜之一,有着广阔的应用前景。铁基超导体是近年来发现的铜氧化合物以外的又一个高温超导家族,具有丰富多变的材料类型、多轨道电子结构以及包括超导在内的多重序,为超导材料的探索和超导机理的研究提供了新的平台。角分辨光电子能谱直接测量材料的电子结构,是研究铁基超导的强大实验工具。  本篇论文的主题是角分辨光电子能谱对两类铁基超导的研究。在描述具体的体积超导研究工作之前,在前两章做了一些相关基本内容的简介,包括铁基超导体的基本性质和超导机理的研究进展,以及角分辨光电子能谱的基本原理、理论模型和实验系统。  铁硒超导薄膜是一个独特的体系,结构简单,具有铁基超导中最高的超导转变温度,并且可变因素丰富,为超导电性的研究提供了极好的平台。在单层FeSe/SrTiO3薄膜表面利用原位钾蒸发手段进行电子掺杂,发现伴随布里渊区中心出现一个电子型费米面,超导转变温度进一步提高约15K。基于这样一个更加全面相图的讨论表明,铁硒体系中的配对相互作用具有轨道依赖,其中dxy轨道在增强超导方面起了重要作用。另一方面,研究单层FeTe1-xSex/SrTiO3中超导和电子结构的演化。随着Se含量的减少,体系的超导性质基本保持,而布里渊区中心的电子型和空穴型能带的带隙逐渐减小趋于发生反带,进而导致非平庸的Z2拓扑不变量。由于该单层薄膜体系易于调控,极有可能在其中实现拓扑超导。  在铁基超导体中载流子掺杂是调节超导和其他许多性质的有效途径,其相图丰富有趣。选取122体系中重空穴掺杂的KFe2As2和111体系首次实现空穴掺杂的LiFe1-xVxAs,来进行测量研究。在KFe2As2中观测到费米能级邻近的范霍夫奇点,与之对应的鞍点位于布里渊区中心和边角的中点。这个奇点贡献了费米能级处大部分的电子态密度,而这部分态密度在超导态下不打开能隙。这些结果给KFe2As2中许多奇异的性质提供了合理的解释,并且预示其中的超导配对源于强耦合机制。对LiFe1-xVxAs的测量发现,一个V原子给体系掺入0.3个空穴,且电子结构的变化偏离刚性能带移动。电输运和角分辨光电子能谱的测量表明体系中的非费米液体行为由反铁磁波矢相应的低能轨道间散射所导致。这些奇异性质的发现进一步丰富了铁基超导体的性质,为澄清相关物理问题提供了实验依据。
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