超导薄膜材料的光谱性质及电荷动力学响应研究

论文摘要

超导材料由于具有电子运动无损耗特性,在航空航天、生物医疗、计算机、通讯等领域有广阔的应用前景。具有复杂和丰富物理性质的高温超导体是强关联电子体系,不符合常规超导体的超导微观理论,因此,开发更高转变温度的新型超导材料,研究更全面的超导机理仍是目前研究的热点之一。本文利用红外光谱、THz时域光谱和时间分辨超快光谱等手段,在可见、红外及THz光谱区域,对电子型铜氧化物高温超导体LCCO、尖晶石氧化物超导体LTO、铁基超导体FeSe的光学性质进行测试,得到了超导薄膜材料的光学常数、晶格振动、声子模式等信息,进而通过Kramers-Kronig（K-K）关系等计算得到其光电导特性,结合超导薄膜材料电输运性质及光学色散模型,得到电荷的动力学信息,如弛豫时间、直流电导率等,实现对超导薄膜材料物理性质的分析。期望通过对光子与超导材料的相互作用的分析,研究超导材料光学特性的响应机理,从而探究材料的超导特性、结构相变等物理机制。本文具体研究内容如下:1.利用脉冲激光沉积法,在（001）SrTiO3衬底上生长了最优掺杂La2-xCexCuO4（LCCO,x=0.1）薄膜,并对其在400-4000 cm-1频率范围内的中红外光学性质进行测试分析:（1）利用K-K关系得到复光电导率σ（ω）,复介电函数δ（ω）和复折射率n（ω）等光学常数;（2）利用Drude模型对电导率进行拟合,得到载流子弛豫时间和直流电导率等动力学信息。2.在变温条件（5-300 K）下实现对Mg2A104（MAO）衬底LTO超导薄膜1.2-1.9 um波长范围近红外光谱性质的研究,发现LTO超导薄膜的超导转变温度附近出现近红外反射光谱相变现象。利用Drude-Smith公式对样品反射率与辐射波长间依赖关系进行的分析,发现处于金属相的LTO超导薄膜存在光致电子局域化效应。3.在变温条件（3-300 K）下实现对LTO超导薄膜超快动力学弛豫过程的研究。光激发LTO超导薄膜瞬态光谱信号在超导转变温度附近发生明显变化,利用三指数模型对瞬态光反射率变化△R（t）/R信号进行拟合,发现LTO超导薄膜在超导态存在快速弛豫过程、较快弛豫过程和缓慢弛豫过程三个子过程,分析了瞬态激发过程的集体激发行为,为超导配对机制的研究提供参考。4.在变温条件（5-300 K）下实现对FeSe超导薄膜在1.1-1.9 um波长范围的近红外光谱特性测量,并利用K-K变换及外推公式法得到了 FeSe超导薄膜的复光电导率谱。反射率光谱与光电导率谱随温度的变化,可以清晰反映出温度诱导金属超导相变的过程,并得到与电输运测试结果相一致的超导相变温度。利用Drude-Lorentz和Drude-Smith模型实现对FeSe超导薄膜光电导率随辐射波长及温度变化关系的分析,发现Fe-Se键在结构相变附近发生改变,巡游电子和局域电子之间在Fe的3d轨道中Hund耦合发生改变,进而可以推断得到更高能量电子和电子局域对超导电性作出的贡献。5.在液氮温区（80-260 K）下,对FeSe超导薄膜的太赫兹光谱特性进行了测试。根据透射率与光电导率的关系,分析得到FeSe超导薄膜太赫兹透射光电导特性。利用Drude-Smitht模型对光电导率实部和虚部同时进行拟合,得到样品的直流电导率、弛豫时间等光学参数。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 超导材料光学性质研究背景

1.1.2 超导材料光学性质研究意义

1.1.3 超导材料国内外研究进展

1.2 论文主要内容

1.2.1 课题来源

1.2.2 主要内容

第二章超导薄膜光学测试分析理论

2.1 光谱学原理

2.1.1 吸收率与光电导率的关系

2.1.2 反射率与光电导率的关系

2.1.3 透射率与光电导率的关系

2.2 超导薄膜的光谱响应

2.2.1 自由电子气光学响应

2.2.2 束缚电子光学响应

2.2.3 Drude-Smith模型

2.2.4 二流体模型

2.2.5 Rothwarf-Taylor模型

2.3 超导薄膜光谱测试技术

2.3.1 拉曼光谱

2.3.2 近红外光谱

2.3.3 傅里叶变换红外光谱

2.3.4 太赫兹时域光谱

2.3.5 时间分辨超快光谱技术

2.4 本章小结

第三章 LCCO超导薄膜光学性质研究

3.1 LCCO超导薄膜制备

3.2 LCCO超导薄膜表征

3.2.1 LCCO薄膜的XRD分析

3.2.2 LCCO薄膜的SEM分析

3.3 LCCO超导薄膜红外光学性质研究

3.3.1 LCCO傅立叶红外反射光谱测试

3.3.2 LCCO红外光谱分析

3.4 本章小结

第四章 LTO超导薄膜光学性质研究

4.1 LTO超导薄膜制备及表征

4.2 LTO拉曼光学性质研究

4.3 LTO低温近红外光学性质研究

4.3.1 LTO近红外反射光谱

4.3.2 LTO金属超导相变分析

4.3.3 LTO电子局域化效应研究

4.4 LTO超导薄膜瞬态光谱响应

4.4.1 LTO动力学弛豫过程分析

4.4.2 LTO弛豫时间常数分析

4.5 本章小结

第五章 FeSe超导薄膜光学性质研究

5.1 FeSe超导薄膜制备及表征

5.2 FeSe超导薄膜近红外光学性质研究

5.2.1 FeSe近红外反射光谱

5.2.2 光学常数分析

5.3 FeSe超导薄膜材料变温太赫兹光学性质研究

5.3.1 FeSe太赫兹时域光谱

5.3.2 FeSe太赫兹复光电导率

5.3.3 FeSe关键参数分析

5.4 本章小结

第六章总结

6.1 主要研究内容

6.2 主要创新点

6.3 总结和展望

参考文献

致谢

博士期间已发表和待发表的学术论文

附已发表外文论文两篇

附件

学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张衍敏

导师: 张飒飒

关键词: 超导薄膜,红外光谱,泵浦探测,太赫兹时域光谱,光学性质

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山东大学

基金: 国家重点基础研究发展计划(“973”计划,批准号:2015CB921003),项目“宏观量子态的表面与界面调控”的子课题3“高通量组合界面制备及其电子结构调控”

分类号: O511.3

DOI: 10.27272/d.cnki.gshdu.2019.000285

总页数: 142

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