BiS2基超导体及LaOFeAs的角分辨光电子能谱研究

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超导电性发现以来,合成更高转变温度的超导材料以及解决高温超导的微观机制,是物理学家们长久以来追求的目标。铜基超导体和铁基超导体的先后发现,使得BCS框架下的超导机制达到了一个瓶颈,因此超导领域的迫切需求就是理解非常规超导体的机制。其中,角分辨光电子能谱(ARPES)作为能够直接探测材料电子结构的有效手段,起到了非常重要的作用。本论文主要介绍了利用ARPES对Nd(O,F)BiS2和La(O,F)BiSe2这两种BiS2基超导体以及铁基超导体中的1111体系母体LaOFeAs的电子结构的研究。  能带计算表明BiS2基超导体的母体是一个绝缘体,其能隙约为0.8eV。费米能级附近的能带主要由Bi原子的6px和6py轨道贡献,电子间的相互作用与铜基和铁基中的3d电子相比较弱。超导转变温度在电子掺杂浓度为0.5时达到最高。此时,会发生比较明显的费米面嵌套。但是关于BiS2基超导体的配对对称性一直存在着分歧。磁场穿透深度和μSR都倾向于是以电声子耦合为主的s波超导体。但是中子衍射并没有观测到声子共振引起的谱线异常。而且STS的结果表明2Δ/kBTC远大于BCS的范围。虽然针对两种BiS2基超导材料的ARPES测量均在X(π,0)点观察到两个较小的电子型费米面。但由于样品的实际掺杂浓度远远小于名义组分,并没有看到理论所预言的当掺杂浓度为0.5时的费米面嵌套。Nd(O,F)BiS2中低能谱权重随温度变化的特性暗示着在低温下电子与晶格间可能存在着较强的耦合。La(O,F)BiSe2中在低能范围观测到一个较平的能带,此能带在K掺杂后便消失。将其归结于解理后样品表面杂质引起的表面态。  超导转变温度为26K的F掺杂的LaOFeAs的发现,标志着铁基1111体系研究的开端。目前为止,1111体系中产生了常压下转变温度最高的铁基超导体。因此,研究这一体系的电子结构对理解非常规超导机制有着重要的意义。但是1111体系在解理后会出现极化表面,例如[LaO]+1和[FeAs]-1。这便导致解理后的表面重构。因此表面态和体态的共存使得用ARPES研究材料的本征电子结构变得十分复杂。以往的ARPES实验结果都显示了非常复杂的能带结构,并且缺乏直接有效的证据来将表面态与体态区分开来。对1111体系母体LaOFeAs的研究发现低温下解理的样品呈现出不稳定并且更加复杂的能带结构,同时高温下解理的样品的能带结构就很稳定并且较清楚。从而判断1111体系的表面态有两种。通过原位K掺杂实验并结合LDA计算结果,将表面态和体态一一鉴别开来。通过后续的温度依赖测量,发现表面态和体态有着不同的温度依赖关系,进一步验证了对能带的分类结果。
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