【摘要】：高溫超導(dǎo)自發(fā)現(xiàn)以來一直是凝聚態(tài)物理中廣泛研究的課題。生長在SrTi03襯底上的單層FeSe(FeSe/STO)薄膜作為鐵基高溫超導(dǎo)體家族中,結(jié)構(gòu)最簡單、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度最高的體系更是受到了廣泛關(guān)注。另外,過去的幾十間,稀磁半導(dǎo)體已發(fā)展成為材料科學(xué)中的一個重要分支。稀磁半導(dǎo)體的磁性起源問題一直備受關(guān)注。本論文本論文利用分子束外延技術(shù)在鈦酸鍶襯底上生長了FeSe/STO薄膜;利用角分辨光電子能譜技術(shù),對FeSe/STO薄膜和“122”系新型稀磁半導(dǎo)體(Ba1-x,Kx)(Zn1-y,Mny)2As2的電子結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究。本論文主要包括以下內(nèi)容:1.對超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)歷程進行了簡要介紹,并對鐵基高溫超導(dǎo)體的研究進展進行了簡要的回顧,借此引出本文的研究出發(fā)點。2.對本論文主要使用的研究手段角分辨光電子能譜的組成、原理進行了詳細的介紹。3.對分子束外延技術(shù)和掃描隧道顯微鏡的原理進行了簡要介紹。對FeS-e/STO薄膜的分子束外延生長方法、制備過程進行了詳細介紹。4.通過STM研究,發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)的單層FeSe/STO薄膜中存在大量的額外Fe。通過對超導(dǎo)單層FeSe/STO薄膜在室溫條件下沉積Se并進行退火,發(fā)現(xiàn):(1)超導(dǎo)單層FeSe/STO薄膜中至少存在20%額外的Fe;(2)單層FeSe/STO薄膜表面上,二層FeSe小島在很低的溫度(～150℃)下就可以形成,這個溫度比單層FeSe/STO薄膜的生長溫度(～490℃)要低很多;(3)在FeSe薄膜表面室溫條件下沉積Se并在合適的溫度下退火,可以作為一種檢驗樣品中是否含有額外的Fe的方法;(4)單層FeSe/STO薄膜中額外的Fe很可能存在于STO襯底和FeSe薄膜的界面之間。至于額外的Fe對單層FeSe/STO薄膜高溫超導(dǎo)電性的影響,這需要進一步的研究。該結(jié)果為理解單層FeSe/STO薄膜的高溫超導(dǎo)電性提供了新的信息,也為進一步提高其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提供了新的思路。5.對單層FeSe/STO薄膜的主要研究進展進行了簡要的回顧,進而引出本文的研究動機。對單層FeSe/STO薄膜的母體及其隨摻雜的演化進行了詳細的介紹。通過系統(tǒng)的ARPES研究,建立了單層和多層FeSe/STO薄膜隨摻雜電子結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律和相圖,發(fā)現(xiàn)單層FeSe/STO薄膜具有獨特的類似于Mott絕緣體的母體。只有當(dāng)載流子濃度增加到一定程度(大于～0.07e/Fe)時,才開始出現(xiàn)絕緣體-超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。對于兩層和多層FeSe/STO薄膜,其母體是向列相;隨著載流子濃度的增加,相列相逐漸被壓制,超導(dǎo)相開始出現(xiàn)。單層FeSe/STO薄膜獨特的母體結(jié)構(gòu)和隨摻雜的演變,為理解單層FeSe/STO薄膜的高溫超導(dǎo)電性提供重要信息。6.對稀磁半導(dǎo)體的研究背景進行了簡要介紹。系統(tǒng)的研究了“122”系新型稀磁半導(dǎo)體(Ba1-x,Kx)(Zn1-y,Mny)2As2的電子結(jié)構(gòu)。通過對(Ba,K)(Zn,Mn)2As2,Ba(Zn,Mn)2As2,(Ba,K)Zn2As2和BaZn2As2四種高質(zhì)量單晶樣品的電子結(jié)構(gòu)的研究,并結(jié)合理論計算,發(fā)現(xiàn):(1)母體BaZn2As2本身是一個窄帶隙的半導(dǎo)體,稀磁半導(dǎo)體(Ba,K)(Zn,Mn)2As2的費米能落在As 4p價帶附近;(2)Mn 3d電子的態(tài)密度位于EB～-3.2 eV;(3)在摻Mn的樣品((Ba,K)(Zn,Mn)2As2 和 Ba(Zn,Mn)2As2)中觀測到了 As 4p 軌道劈裂的跡象。這些結(jié)果揭示了 p-d相互作用在(Ba1-x,Kx)(Zn1-y,Mny)2As2的高鐵磁轉(zhuǎn)變溫度中起了至關(guān)重要的作用。
【圖文】：

圖1.1:超導(dǎo)體的零電阻與麥斯納效應(yīng)[3]：(a)荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯；(b)金屬汞的電阻溫度曲線；(3)麥斯納效應(yīng)示意圖。導(dǎo)體；1950由維塔利·金茲堡(Vitaly Lazarevich Ginzburg)和列夫·朗道( LevLandau)提出的唯象的Ginzburg Landau理論，從熱力學(xué)統(tǒng)計物理角度描述了超導(dǎo)相變；1957年由巴丁(John Bardeen)、庫伯(Leon Cooper)和施里弗(JohnRobert Schrieffer)提出的著名的微觀超導(dǎo)理論— BCS理論[4]，非常成功地解釋了金屬或合金超導(dǎo)體的物理性質(zhì)。BCS理論認為超導(dǎo)是一種量子凝聚行為，即費米能附近相反動量和自旋的電子通過交換虛聲子形成Cooper對，超導(dǎo)態(tài)是低溫下發(fā)生的Cooper對宏觀量子凝聚態(tài)。BCS理論是一種弱耦合超導(dǎo)理論，它認為電子-聲子相互作用是電子配對的主要原因。然而根據(jù)基于電子-聲子機制的超導(dǎo)體 的描述公式，超導(dǎo)體的臨界溫度不會超 39 ，這個溫度被稱為麥克米蘭(McMillan)極限[5]。超導(dǎo)電性被發(fā)現(xiàn)后的近七十多年里，雖然不斷有新的超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，比如金屬和合金等，但是這些常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度普遍很低(在此期間，

圖1.2:超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)歷程[3]銅氧化物超導(dǎo)體作為第一個被發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體體系，不僅展現(xiàn)了誘人的應(yīng)用前景，還對傳統(tǒng)的BCS理論提出了挑戰(zhàn)。因此對高溫超導(dǎo)體的研究從未停止。盡管在實驗上取得了很多重要的進展，但是機理問題上的挑戰(zhàn)一直沒有得到解決。正當(dāng)人們陷于高溫超導(dǎo)研究的困惑之時，第二類高溫超導(dǎo)體系—鐵基超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。2008年，日本科學(xué)家Hosono研究組在鐵砷族化合物 [ 1 ] ( = 0.05 0.12) 中發(fā)現(xiàn)了 26 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變[12]，由此掀起了鐵基超導(dǎo)體的研究熱潮。同樣在2008年，中國的兩個研究組中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳仙輝研究小組和中國科學(xué)院物理研究所的王楠林研究小組分別在 [ 0.85 0.15] 和 0.84 0.16 中發(fā)現(xiàn)了 43 [13]和 41 [14]的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，一舉超越了麥克米蘭極限。隨后，中國科學(xué)院物理研究所的趙忠賢研究小組在利用高壓合成技術(shù)合成的 [ 0.9 0.1] 中獲得了 55 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變[15]，創(chuàng)造了鐵基超導(dǎo)體超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度記錄。之后，一系列的鐵基超導(dǎo)體相繼被發(fā)現(xiàn)。需要特別指出的是，，2012年清華大學(xué)的薛其坤研究小組利用分子束外延方法在 襯底上生長的單層 / 薄膜[16]，隨后發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)
【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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O469

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本文編號：2697595