铁基超导体电子结构的高分辨角分辨光电子能谱研究

摘要

作为新发现的第二类高温超导体，铁基超导体(iron-based superconductors)具有种类繁多的结构和组分，并由此呈现出丰富多彩的电子基态物理相图；另一方面，铜基高温超导体的超导机理仍然悬而未决，需另辟蹊径来进一步探索，因此凝聚态物理学界掀起了一股研究铁基超导体的热潮。由于费米能级附近的价电子不仅决定了固体的电学、磁学、光学和热学性质，而且参与了超导配对，对它的研究将有利于揭示其超导机理。而角分辨光电子能谱技术作为目前唯一能够同时测量固体中费米能级附近电子的能量、运动方向和散射性质的实验工具，它和同步辐射技术的完美结合可以更加有效地研究各种材料的电子结构、相变和其中的各种有序现象。本文主要围绕铁基超导体的电子结构及其在低温下所呈现的如超导和自旋密度波有序等基态产生的物理机理，利用高分辨角分辨光电子能谱技术对其开展了一系列的研究，并得到了如下一些结果：
　　 1.我们利用角分辨光电子能谱技术对CaFe2As2母体正常态和自旋密度波有序态下的电子结构进行研究。其中CaFe2As2能带的色散曲线随温度的演化表明能带的劈裂和移动是在进入自旋密度波态后发生的。由于能带的劈裂和移动在费米能级以下很大的能量尺度都存在，并且在费米面上没有能隙打开，因此能带折叠和费米面嵌套图像不能解释在自旋密度波态下电子结构发生的显著重构。另外，我们发现在自旋密度波有序态下M点附近存在不对称的费米面性质(一个是电子型口袋，另一个是空穴型口袋)，这可以用三维小费米面随kz的变化来解释。
　　 2.利用角分辨光电子能谱实验我们首次揭示了略微过掺杂的BaFe2-xCoxAs2超导样品中的能带结构及其超导能隙在三维布里渊区的分布。我们的研究表明略微过掺杂样品和最佳掺杂样品在布里渊区中心的费米面拓扑结构变化很大，同时所有能带的超导能隙在面内各向同性且没有能隙节点，这就排除了自旋涨落理论提出的由于费米面拓扑结构变化而导致配对对称性的改变。另外有一条能带的超导能隙表现出一定的kz依赖关系，而其它两条能带的能隙沿kz方向在误差范围内均匀分布。
　　 3.利用角分辨光电子能谱技术和能带计算我们首次详细研究了11体系的电子结构。11体系的超导体具有最简单的层状结构，但是其母体表现出来的性质和其它铁基超导体都截然不同，因此研究其电子结构，并和其它铁基超导体进行比较有着十分重要的意义。我们的角分辨光电子能谱实验和密度泛函理论揭示了FeTe1-xSex超导体在费米能级附近的电子结构，并利用偏振依赖实验进一步说明了能带结构的对称性。角分辨光电子能谱实验的结果和密度泛函理论相一致。同铁砷化合物相比，尽管它们大部分能带结构很相似，但是也有一些明显差异，特别是它们在顺磁态下Γ点附近的电子结构。我们的结果给出了关于Fe1.04Te0.66Se0.34电子结构的综合图像，同时阐明了铁基超导体中阴离子的作用。
　　 4.利用角分辨光电子能谱和透射电子谱技术，我们研究了各种KxFe2-ySe2相。利用荷电效应，我们发现超导体/半导体中存在超导相/半导体相和绝缘相，而透射电子谱的研究进一步表明这个相分离是发生在介观尺度的，于是我们为超导体和半导体中存在的相分离首次提供了电子结构上的证据。同时我们第一次给出了KxFe2-ySe2超导体的各个可能母体的电子结构，其中两种绝缘相的能带和超导相的相比存在着谱重转移，这代表着类似莫特绝缘体能隙的打开；另一方面，半导体相和超导体相有着类似的电子结构，并且它可以通过电子掺杂得到超导体，因此半导体相很可能是超导相的母体。我们在超导相和半导体相的电子结构研究中没有发现能带重构，这表明两个相中不存在磁有序和空穴有序。总之，我们的结果不仅能够解释这类材料里面各种各样的奇异性质，而且为理解这类新型铁基高温超导体的微观性质奠定了坚实的基础。
　　 5.利用偏振依赖的角分辨光电子能谱技术我们首次详细确定了KxFe2-ySe2超导体费米能级附近能带的轨道特性。我们的研究表明KxFe2-ySe2超导体费米能级附近的大部分轨道特性和其它铁基超导体比较类似，但也有其独特之处。另外，我们在布里渊区顶角处发现两个简并的费米面，这表明它们之间的相互作用力很弱。我们得到的KxFe2-ySe2超导体的电子结构和轨道分布信息有利于构建KxFe2-ySe2超导体的微观模型。