【摘要】：銅氧化物高溫超導體自發(fā)現(xiàn)以來就吸引了眾多科研工作者的關注和研究。其高溫超導機理是凝聚態(tài)物理里一個尚未被攻克的重要難題。理解銅氧化物高溫超導機理,尋找其電子配對機制的關鍵在于了解其獨特的電子結構。角分辨光電子能譜儀,能夠直接測量材料內部的電子結構,在銅氧化物高溫超導體的研究中發(fā)揮了重要作用。本文論述了實驗室四臺國際領先的真空深紫外激光角分辨光電子能譜儀的研制和改進,以及運用先進的角分辨光電子能譜儀對銅氧化物母體Ca2CuO2Cl2以及銅氧化物高溫超導體Bi2Sr2CaCu2O8+δ電子結構的研究。主要包括以下內容:1.本文首先介紹了常規(guī)超導和非常規(guī)超導的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展,然后介紹了銅氧化物高溫超導體的基本性質和本論文研究工作的出發(fā)點。2.介紹了本論文所使用的實驗手段角分辨光電子能譜儀(ARPES)的基本原理。3.介紹了本人博士期間負責維護和改進的真空深紫外激光角分辨光電子能譜儀的基本構造和改進結果,以及實驗室其他3臺國際領先的真空紫外激光角分辨光電子能譜儀(自旋分辨譜儀、飛行時間譜儀和大動量極低溫譜儀)的設備原理和特色。4.銅氧化合物的母體是莫特絕緣體,一個很自然的出發(fā)點就是研究清楚其母體的基本電子結構,理解在強關聯(lián)效應下單個空穴是如何在母體中運動的。我們利用高分辨率的角分辨光電子譜對銅氧化物母體Ca2Cu02Cl2進行了系統(tǒng)的研究。通過不同的實驗幾何構型以及精確提取出的潛在費米動量,第一次揭示出了 Ca2Cu02Cl2中多重潛在費米面的結構,一支是以(π,π)點為中心的空穴型潛在費米面,一支是以(0,0)為中心的電子型潛在費米面。我們對在銅氧化物母體中發(fā)現(xiàn)的高能異常能帶進行了詳細的動量依賴測量,發(fā)現(xiàn)其在節(jié)點區(qū)域附近和反節(jié)點區(qū)域附近表現(xiàn)出完全不一樣的色散特征。我們還觀測到了兩個完全不同的能量尺度:呈現(xiàn)d波色散形式的低能峰和各向同性的有效下哈伯帶(effective LHB)能隙。我們的實驗結果為母體莫特絕緣體的電子結構研究提供了新的信息,并且暗示了莫特絕緣體里電子之間的強關聯(lián)效應對理解其潛在費米面的復雜性和高能異常色散的起源有著十分關鍵的作用。5.理解銅氧化物高溫超導機理的關鍵在于理解清楚摻雜莫特絕緣體中的物理。我們開展了 Ca2CuO2Cl2(CCOC)表面原位蒸鉀對其電子結構影響的研究。研究發(fā)現(xiàn),對于銅氧化物母體莫特絕緣體CCOC,原位蒸鉀確實能有效的在樣品表面摻入電子,當摻雜達到一定量時,能產生間隙態(tài),在能隙中形成比較寬的大范圍能量分布的譜重,與之前STM在CCOC和Bi2201中觀測到的間隙態(tài)特征一致。實驗上還觀測到了間隙態(tài)與電荷轉移能帶之間的強烈譜重轉移。我們還發(fā)現(xiàn),CCOC低溫下強烈的絕緣性使得ARPES實驗測量溫度較高,導致表面吸附的鉀容易流失;而且CCOC的表面對鉀的吸附可能存在一個臨界值,超過之后形成的電子摻雜態(tài)并不穩(wěn)定。我們的研究結果暗示,電荷轉移能隙更小的絕緣體可能更適合做表面蒸鉀的研究。我們的表面原位蒸鉀實驗為理解摻雜莫特絕緣體中的電子態(tài)演化提供了重要的信息。6.通過超高分辨率的深紫外激光角分辨光電子能譜對不同摻雜Bi2212樣品的測量,發(fā)現(xiàn)了兩種準粒子激發(fā)共存的行為,即類似費米液體的激發(fā)行為和類似非費米液體的激發(fā)行為在動量空間中共存。溫度依賴測量表明,高能的電子-電子散射幾乎不隨溫度變化,在溫度足夠高時的奇異正常態(tài),低能散射完全被電子-電子散射主導,且低能的電子-電子散射與高能的電子-電子散射可以被相同的函數(shù)形式描述,暗示高能的電子-電子散射模式自然延伸到了低能。動量依賴測量結果表明,在節(jié)點區(qū)域附近,類似費米液體激發(fā)的行為占主導地位,在反節(jié)點區(qū)域附近,類似非費米液體的激發(fā)行為占主導地位。摻雜依賴結果表明,從欠摻雜到過摻雜,節(jié)點區(qū)域的類似費米液體的激發(fā)行為逐漸增強,反節(jié)點區(qū)域的類似非費米液體激發(fā)行為的強度表現(xiàn)成一個類似超導轉變溫度圓頂?shù)男螤?在Tc最大處,反節(jié)點區(qū)域的非費米液體行為最強。我們的結果暗示了這種非費米液體激發(fā)行為與高溫超導之間可能存在某種關聯(lián)。7.單晶Bi2212上生長的單層CuO2薄膜中可能具有的s波對稱性引起了人們極大的興趣。與單層FeSe薄膜不同,由于CuO2薄膜的表面目前沒有好的保護手段,CuO2薄膜在不同實驗儀器間的樣品轉移是一個難題。本文通過高分辨的角分辨光電子能譜儀對Bi2212上生長的單層CuO2薄膜進行了研究。結果表明,經(jīng)過連續(xù)多次的低溫退火能夠有效的對樣品表面進行除氣,經(jīng)過除氣后,ARPES測得的電子結構逐漸顯示出類似襯底Bi2212的信號。單層CuO2薄膜是一個十分有趣且重要的體系,利用ARPES對它進行費米面和能隙對稱性的研究非常必要,不僅有助于檢查STM的結果,更能提供理解銅氧化物高溫超導機理的關鍵信息。我們還需要進一步優(yōu)化不同系統(tǒng)間的傳樣過程,保護好單層CuO2薄膜的表面,對其展開進一步的研究。
【圖文】：

角分辨光電子能譜對單層 和 2212 的研究金屬 Hg 的電阻在4.2 K 時突然下降，數(shù)值超出了儀器的測量范圍，經(jīng)過反復核實，他認為 Hg 的電阻已變?yōu)榱�，并把這種新奇的現(xiàn)象稱為超導。Onnes本人也憑借其在液化氦氣和對物質低溫電性研究方面的杰出工作（包括發(fā)現(xiàn)超導）而獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。隨后，德國的 W. Meissner 和 R.Ochsenfeld 發(fā)現(xiàn)超導體還具有完全抗磁性，即低于臨界溫度 T 時，所有的外磁場磁力線都被超導體排斥到體外，超導體內部的磁感應強度保持為零。這種完全抗磁性現(xiàn)象稱為邁斯納效應（Meissner effect）[9]。判斷一個材料是否為超導體，必須看它是否同時具有零電阻和邁斯納效應。圖 1.1 所示，為超導的發(fā)現(xiàn)者 Onnes 以及超導的零電阻和邁斯納效應。

一些合金及其化合物也具有超導電性，一些非金屬單質在高壓下也能實現(xiàn)超導，如圖1.2。但它們的超導轉變溫度 T 都很低。直到20世紀80年代中期，具有最高超導轉變溫度的超導體仍然是1973年發(fā)現(xiàn)的 Nb3Ge 薄膜[10]，其 T 為23.2 K。這些超導體由于能夠被后來的基于電聲子相互作用的 BCS 理論完美解釋，因此被稱為 BCS 超導體，或常規(guī)超導體。在 BCS 框架下，理論物理學家推斷出，基于電聲子相互作用配對導致的超導，其臨界溫度不可能高于40 K，，即麥克米蘭極限。值得注意的是，2015 年，德國物理學家發(fā)現(xiàn)硫化氫體系在220萬個大2
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O511.3

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4 董麗榮;李長生;王e

本文編號：2600530