过渡金属氧硫族元素化合物的扫描隧道谱研究

发布时间：2018-05-01 00:41

本文选题：过渡金属二硫族化合物 + 电荷密度波　；参考：《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》2017年博士论文

【摘要】：尽管高温超导体已经发现三十余年,但是对于非常规超导体相图的理解仍然是一个未解之谜。超导态与多种有序态共存是非常规超导体中普遍存在的现象,例如反铁磁有序、电荷密度波、自旋密度波、电子向列相、电子棋盘相以及条纹相等等,有些有序态有可能在超导配对中发挥了重要作用甚至直接参与配对。因此,理解多种有序态的微观共存机制有助于理解超导配对机制。电荷密度波与超导共存的过渡金属二硫族元素化合物是一种近似的模型系统,可以提供很好的参照作用,为解决高温超导机制问题提供重要的参考。本文的主要内容是利用扫描隧道显微镜/显微谱从微观尺度上对2H-NbSe_2中的超导与电荷密度波的关系进行研究。作为一种常规超导体,2H-NbSe_2中存在着电荷密度波(CDW)与超导态的微观共存,为理解非常规超导体系中超导态与其他有序态的共存提供了一个绝佳的切入点。用同价态的Ta原位替代Nb后,从电阻曲线上定出的CDW转变温度缓慢下降的同时,超导转变温度逐渐缓慢上升,二者表现出一定的竞争性。CDW消失后,超导转变温度也迅速下降,对样品的剩余电阻比非常敏感。尽管电阻曲线上CDW特征已经消失,STM形貌测量表明体系中仍然存在局域的CDW畴,也即CDW的长程有序被破坏,只剩下局域的短程序。随着进一步掺杂,当体系的关联长度与超导相干长度ζ可以比拟后,系超导转变温度迅速下降。另外在电阻曲线上CDW特征消失之前,2H-TaxNb1-xSe2进入CDW态后表现出较大的线性磁阻,而且满足科勒定则;而电阻曲线上CDW特征消失之后,2H-TaxNb1-xSe2磁阻不再满足线性关系,而且也不再满足科勒定则,因此线性磁阻与科勒定则与CDW长程序有关,通过高压直接压制CDW后大磁阻现象消失,超导转变温度上升。通过隧道谱测量到的超导能隙在CDW变弱后明显增大,当体系向"脏"极限转变后,超导能隙逐渐减小。综合这些实验现象,我们认为2H-NbSe_2中的电荷密度波与超导存在多种形式的竞争。2H-(Nb,Ta)Se2体系的隧道谱低能区域存在一些精细结构特征,我们发现这些精细结构的能量与理论计算的声子态密度极大值对应的能量、以及ARPES测量到的声子自能修正处的能量是一致的。经过仔细分析,我们认为这些精细结构的特征符合非弹性电子隧穿过程的特征。一直以来,大家错误地认为2H-NbSe_2隧道谱上±35mV处的拐点是CDW能隙,最近J.Hoffman小组认为它是在非弹性隧穿背景上由声子自能修正导致的特征,但是对更加低能的精细特征认识存在误区,因此我们的认识修正了长久以来大家对隧道谱特征认识的不足。另外空间精细分辨的隧道谱表明这些电声子参与的非弹性隧穿强度受到实空间CDW的调制,给出了从微观尺度对CDW进行研究的新思路。在2H-NbSe_2样品表面晶格畸变比较严重的区域,我们观测到一种新的条纹相CDW与常见的3×3 CDW微观共存,这与之前相同体系中报道的三度CDW与另一种条纹相CDW分畴的情况并不一致。这种新的条纹相CDW对电子态的影响主要在能量比较高的区域,对费米面附近的低能电子几乎没有影响。新的条纹相CDW特殊的波矢对费米面附近的嵌套机制提出了疑问,加深了我们对2H-NbSe_2体系中CDW的认识,从而对CDW新的产生机制产生一些启发,对于在这种新的CDW的形成中电声子耦合相互作用扮演的角色还需要进一步的理论分析。然后我们在2H-NbSe_2表面通过针尖样品之间的相互作用成功诱导出了局域的1T相,观测到1T-NbSe_2具有(?)×(?)周期的CDW,这种CDW产生后增强了电子之间的关联性。1T相大部分区域在费米面附近打开了受电子关联调控的超导能隙,因此用这种方法可以研究电子之间的关联性与超导的关系,有助于研究强关联体系超导配对机制。大范围移动扫描区域后,存在一些褶皱的样品表面出现了两种新的超结构,分别为三度的2×2相以及条纹相,两种相的边界在原子尺度上是连续的,从细节可以发现条纹相是在2×2相基础上进一步演化而来。两种新的超结构电子态与2H相电子态具有明显的差异,而且二者之间也明显不同,条纹相对电子态产生了周期性的调制。两种相都表现出了超导,超导能隙以及超导转变温度都低于2H相。我们发现台阶上下超导能隙有明显差异,而同一层不同超结构区域的能隙相差很小,尽管它们的电子态差异比较大。综合这些特征我们认为这两种超结构所表现出来的超导是由底层2H相NbSe_2通过近邻效应诱导出来的,条纹相中周期性的电子态对近邻效应诱导出来的超导产生了相同周期的调制,这提供了研究电荷有序与超导之间关系的新平台。作为过渡金属二硫族化合物另一成员,WTe_2首先因其在低温下表现出了巨大且无饱和趋势的磁阻吸引了大家的研究兴趣,而且通过高压压制巨大磁阻后体系呈现出超导特性,而后理论进一步指出它是一种新型的外尔半金属引起了大家的研究热潮。我们在不同剩余电阻率样品上测到相似的隧道谱,大多数特征与重整化后的理论计算态密度很好的吻合,可以与能带上特征结构对应起来。另外隧道谱上可以看出该体系费米面附近具有很低的电子态密度,磁场下的隧道谱与零场下几乎完全相同,说明高迁移率和低载流子是该体系除电子-空穴平衡之外巨大磁阻的必要条件。我们认为低能下WTe_2的表面态对STM测量到的电子态有贡献,靠近费米面处-20mV的态密度特征很可能来自表面态的贡献。另外在应力区域的测量证明了 WTe_2是一种极敏感易调控的半金属体系,也为研究压力作用下电子态密度响应提供了一种新的思路。在读博期间,还参与了仪器搭建方面的一些工作,主要包括氦3极低温扫描隧道显微镜和基于PPMS低温强磁场环境点接触谱仪的搭建工作。前者拓宽了我们的测量范围,将非常规超导电性的探索和研究推进到极低温下的微观尺度,具有比较重要的意义,后者提供了对超导样品便捷而又重要的标定手段。
[Abstract]:This paper studies the relationship between superconducting transition temperature and superconducting transition temperature . In this paper , we have observed that a new stripe phase CDW has two new superstructures in the vicinity of Fermi surface .

【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O511.3

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