FeSe单晶薄膜电子结构的角分辨光电子能谱研究

发布时间：2017-06-09 14:01

  本文关键词：FeSe单晶薄膜电子结构的角分辨光电子能谱研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自从2008年在LaOFeAs中发现高温超导电性以来,铁基高温超导体成为了凝聚态物理研究的一个重要方向,发现更高超导转变温度(Tc)的铁基超导体和理解铁基超导体的高温超导机制是铁基超导体研究的两个重要问题。FeSe超导体和它相关的体系由于它们简单的晶体结构和奇特的电子、物理特性引起了研究人员的广泛关注。2012年,清华大学薛其坤研究组使用扫描隧道显微镜(STM)在单层的FeSe/SrTiO3薄膜发现高达20meV的超导能隙,对应的超导转变温度在液氮温度以上,随后中科院物理所周兴江研究组使用角分辨光电子能谱(ARPES)也验证了单层FeSe存在65K以上的超导电性。目前单层FeSe/SrTiO3薄膜的超导转变温度是铁基超导体中最高的,此外,FeSe/SrTiO3薄膜有着独特的电子结构,随着层厚变化的行为以及绝缘体-超导体转变等奇异物理现象,这引起了凝聚态领域研究人员的广泛关注。在本文中,我首先介绍FeSe薄膜的研究背景,生长FeSe薄膜的分子束外延(MBE)系统,和表征FeSe薄膜电子结构的角分辨光电子能谱(ARPES)的原理和结构。在MBE系统上,我们在SrTiO3 (STO)衬底上生长高质量FeSe单晶薄膜,并使用ARPES对其电子结构、超导电性等进行系统的研究。主要结论如下：1.多层FeSe/STO薄膜中的Fe空位有序无序转变我们在分子束外延法生长的多层FeSe薄膜中发现了铁空位无序有序转变,并利用原位角分辨光电子能谱研究。研究发现低温退火的FeSe薄膜是铁空位无序的而且处于电子掺杂态。进一步长时间低温退火能够使得铁空位无序相转变为铁空位有序相,而且发现铁空位有序相是存在(?)×(?)超结构的半导体/绝缘体,此外,通过高温退火能反过来使其转变为铁空位无序相。我们的结果表明FeSe薄膜中存在铁空位无序有序转变,而且通过真空退火可以进行简单地调制,这种规律类似于铜氧化合物的典型相图,我们的研究结果表明(?)×(?)铁空位有序相有可能是FeSe的母相。2.多层FeSe/STO薄膜中的Dirac能带色散我们发现在厚度大于一层的FeSe薄膜中,向列序转变温度以下均存在狄拉克锥型能带色散。狄拉克锥能带色散位于费米面上高能谱强度(亮点)处,狄拉克点位于费米能级下10meV处,在费米面上形成小的电子型pockets。狄拉克锥型能带色散在向列序转变温度以上消失,随着薄膜厚度增加几乎不发生改变。对多层FeSe薄膜的钴掺杂实验表明,随着Co的电子掺杂,向列序明显被压制,狄拉克锥型能带同时消失。实验表明狄拉克锥态和向列序之间存在紧密的联系,这与BaFe2As2在SDW态发现的狄拉克锥十分相似。我们的结果为理解FeSe新颖的电子结构、向列序和超导性提供一些启示。3.单层FeSe/STO的元素掺杂我们给出了对FeSe掺Ni研究的一些阶段性结果和暂时性的结论,这一部分课题仍在继续研究之中。在我们的表面综合分析系统上,使用分子束外延(MBE)的方法,反复实验得到高质量的FeSe单层薄膜样品。我们把样品原位转移至角分辨光电子能谱(ARPES)系统进行表征,实验表明所得的单层FeSe电子结构清晰而且存在大概30K左右的超导转变温度。之后,我们对单层FeSe进行Ni掺杂的实验,结果表明Ni的电子掺杂可以显著的增加M点电子pocket的大小,使得M点电子型能带的费米穿越变大,带底向下移。但Ni的电子掺杂对Γ点能带结构影响比较微小。Ni掺杂对超导能隙大小影响有待进一步的研究。
【关键词】：铁基超导体 FeSe 分子束外延 角分辨光电子能谱 电子结构
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM26
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1. 引言9-26
• 1.1 超导研究简介9-10
• 1.2 铜基超导体10-11
• 1.3 铁基高温超导体11-15
• 1.4 FeSe超导体和相关化合物15-16
• 1.5 石墨烯衬底上生长的FeSe薄膜16-19
• 1.6 FeSe/SrTiO_3薄膜的发现及其电子结构19-23
• 1.7 单层FeSe/SrTiO_3的输运测量23-25
• 1.8 FeSe/SrTiO_3薄膜的研究意义25-26
• 2. 实验方法和原理26-42
• 2.1 分子束外延(MBE)26-28
• 2.2 角分辨光电子能谱28-32
• 2.3 SrTiO_3衬底处理32-39
• 2.4 FeSe薄膜的生长39-42
• 3. FeSe薄膜中可调制的铁空位有序-无序转变42-55
• 3.1 研究背景42-48
• 3.2 铁空位FeSe的生长及其表征48-51
• 3.3 FeSe薄膜中的铁空位有序无序转变51-54
• 3.4 本章讨论与小结54-55
• 4. FeSe薄膜中的狄拉克锥型能带色散55-66
• 4.1 背景介绍55-58
• 4.2 FeSe薄膜中的狄拉克锥型能带色散58-64
• 4.3 本章讨论与小结64-66
• 5. FeSe/SrTiO_3薄膜的元素掺杂66-73
• 5.1 单层FeSe薄膜的生长与表征66-70
• 5.2 单层FeSe的镍掺杂70-72
• 5.3 本章讨论与小结72-73
• 全文总结73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-87
• 附录87
• 硕士期间发表论文87
• 参加学术活动87

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本文编号：435622