【摘要】：銅氧化物高溫超導(dǎo)體自發(fā)現(xiàn)以來就吸引了眾多科研工作者的關(guān)注和研究。其高溫超導(dǎo)機(jī)理是凝聚態(tài)物理里一個(gè)尚未被攻克的重要難題。理解銅氧化物高溫超導(dǎo)機(jī)理,尋找其電子配對機(jī)制的關(guān)鍵在于了解其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。角分辨光電子能譜儀,能夠直接測量材料內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu),在銅氧化物高溫超導(dǎo)體的研究中發(fā)揮了重要作用。本文論述了實(shí)驗(yàn)室四臺(tái)國際領(lǐng)先的真空深紫外激光角分辨光電子能譜儀的研制和改進(jìn),以及運(yùn)用先進(jìn)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(dǎo)體Bi2Sr2CaCu2O8+δ電子結(jié)構(gòu)的研究。主要包括以下內(nèi)容:1.本文首先介紹了常規(guī)超導(dǎo)和非常規(guī)超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展,然后介紹了銅氧化物高溫超導(dǎo)體的基本性質(zhì)和本論文研究工作的出發(fā)點(diǎn)。2.介紹了本論文所使用的實(shí)驗(yàn)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(fù)責(zé)維護(hù)和改進(jìn)的真空深紫外激光角分辨光電子能譜儀的基本構(gòu)造和改進(jìn)結(jié)果,以及實(shí)驗(yàn)室其他3臺(tái)國際領(lǐng)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(shí)間譜儀和大動(dòng)量極低溫譜儀)的設(shè)備原理和特色。4.銅氧化合物的母體是莫特絕緣體,一個(gè)很自然的出發(fā)點(diǎn)就是研究清楚其母體的基本電子結(jié)構(gòu),理解在強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)下單個(gè)空穴是如何在母體中運(yùn)動(dòng)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(jìn)行了系統(tǒng)的研究。通過不同的實(shí)驗(yàn)幾何構(gòu)型以及精確提取出的潛在費(fèi)米動(dòng)量,第一次揭示出了 Ca2Cu02Cl2中多重潛在費(fèi)米面的結(jié)構(gòu),一支是以(π,π)點(diǎn)為中心的空穴型潛在費(fèi)米面,一支是以(0,0)為中心的電子型潛在費(fèi)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(jìn)行了詳細(xì)的動(dòng)量依賴測量,發(fā)現(xiàn)其在節(jié)點(diǎn)區(qū)域附近和反節(jié)點(diǎn)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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為母體莫特絕緣體的電子結(jié)構(gòu)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(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)對理解其潛在費(fèi)米面的復(fù)雜性和高能異常色散的起源有著十分關(guān)鍵的作用。5.理解銅氧化物高溫超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)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(jié)構(gòu)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(shí)能有效的在樣品表面摻入電子,當(dāng)摻雜達(dá)到一定量時(shí),能產(chǎn)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(shí)驗(yàn)上還觀測到了間隙態(tài)與電荷轉(zhuǎn)移能帶之間的強(qiáng)烈譜重轉(zhuǎn)移。我們還發(fā)現(xiàn),CCOC低溫下強(qiáng)烈的絕緣性使得ARPES實(shí)驗(yàn)測量溫度較高,導(dǎo)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(gè)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(jié)果暗示,電荷轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)粒子激發(fā)共存的行為,即類似費(fèi)米液體的激發(fā)行為和類似非費(fèi)米液體的激發(fā)行為在動(dòng)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(shí)的奇異正常態(tài),低能散射完全被電子-電子散射主導(dǎo),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(dòng)量依賴測量結(jié)果表明,在節(jié)點(diǎn)區(qū)域附近,類似費(fèi)米液體激發(fā)的行為占主導(dǎo)地位,在反節(jié)點(diǎn)區(qū)域附近,類似非費(fèi)米液體的激發(fā)行為占主導(dǎo)地位。摻雜依賴結(jié)果表明,從欠摻雜到過摻雜,節(jié)點(diǎn)區(qū)域的類似費(fèi)米液體的激發(fā)行為逐漸增強(qiáng),反節(jié)點(diǎn)區(qū)域的類似非費(fèi)米液體激發(fā)行為的強(qiáng)度表現(xiàn)成一個(gè)類似超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度圓頂?shù)男螤?在Tc最大處,反節(jié)點(diǎn)區(qū)域的非費(fèi)米液體行為最強(qiáng)。我們的結(jié)果暗示了這種非費(fèi)米液體激發(fā)行為與高溫超導(dǎo)之間可能存在某種關(guān)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(hù)手段,CuO2薄膜在不同實(shí)驗(yàn)儀器間的樣品轉(zhuǎn)移是一個(gè)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(jìn)行了研究。結(jié)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(jìn)行除氣,經(jīng)過除氣后,ARPES測得的電子結(jié)構(gòu)逐漸顯示出類似襯底Bi2212的信號(hào)。單層CuO2薄膜是一個(gè)十分有趣且重要的體系,利用ARPES對它進(jìn)行費(fèi)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(jié)果,更能提供理解銅氧化物高溫超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)鍵信息。我們還需要進(jìn)一步優(yōu)化不同系統(tǒng)間的傳樣過程,保護(hù)好單層CuO2薄膜的表面,對其展開進(jìn)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(shí)突然下降，數(shù)值超出了儀器的測量范圍，經(jīng)過反復(fù)核實(shí)，他認(rèn)為 Hg 的電阻已變?yōu)榱�，并把這種新奇的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)。Onnes本人也憑借其在液化氦氣和對物質(zhì)低溫電性研究方面的杰出工作（包括發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)）而獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后，德國的 W. Meissner 和 R.Ochsenfeld 發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體還具有完全抗磁性，即低于臨界溫度 T 時(shí)，所有的外磁場磁力線都被超導(dǎo)體排斥到體外，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持為零。這種完全抗磁性現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)（Meissner effect）[9]。判斷一個(gè)材料是否為超導(dǎo)體，必須看它是否同時(shí)具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。圖 1.1 所示，為超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)者 Onnes 以及超導(dǎo)的零電阻和邁斯納效應(yīng)。

一些合金及其化合物也具有超導(dǎo)電性，一些非金屬單質(zhì)在高壓下也能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，如圖1.2。但它們的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度 T 都很低。直到20世紀(jì)80年代中期，具有最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體，或常規(guī)超導(dǎo)體。在 BCS 框架下，理論物理學(xué)家推斷出，基于電聲子相互作用配對導(dǎo)致的超導(dǎo)，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(xué)家發(fā)現(xiàn)硫化氫體系在220萬個(gè)大2
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O511.3

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3 張建武;賈旭;張權(quán);鄭保忠;王關(guān)生;浦其榮;丁澤軍;;鐵磁復(fù)合對Bi2212相超導(dǎo)電性的抑制[J];低溫物理學(xué)報(bào);2005年S1期

4 董麗榮;李長生;王e

本文編號(hào)：2600530