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铁基超导体、拓扑超导体以及拓扑绝缘体的扫描隧道显微学研究

2020-12-02阅读(653)

铁基超导体、拓扑超导体以及拓扑绝缘体的扫描隧道显微学研究

论文摘要

扫描隧道显微谱学（Scanning Tunneling Microscopy/Specoscopy,STM/S）,作为可以窥探亚纳米级微观世界实空间和能量空间（k-space）信息的手段,自20世纪80年代以来,已经解决了很多物理问题。目前,STM/S已经成为物理学领域的一项普遍使用的实验方法。本论文首先介绍了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）的基本原理,然后介绍了使用STM/S对几类材料的研究结果:1.铁基超导体作为高温超导体的一个重要家族,自2008年被发现以来已经获得了极大的关注。和铜基超导体一样,它们都具有二维层状结构,其相图也与铜基超导体也有很多类似之处。但是和母体为绝缘体的铜基超导体不同的是,铁基超导体的母体一般都为导电性较差的金属。我们利用STM/S详细研究了Fe1+yTe1-xSex体系（y代表晶体中的过量铁,x代表Te与Se的比例）,从母体Fe1+yTe出发,测量了不同Se掺杂（x=0%50%）的样品,发现了两个非常有趣的现象:一是少量Se掺杂的样品在超导转变温度以上仍存在能隙特征,这与铜基超导体的赝能隙非常类似。赝能隙普遍存在于铜基超导体中,但是铁基超导体中相关研究报道较少。不过,虽然Fe1+yTe1-xSex拥有类似赝能隙的特征,但是其微观起源与铜基超导体是否相似仍未可知。二是随着Se掺杂的增加,体系的超导能隙从5.2meV减少到1.5meV,但是其超导转变温度反而从10 K上升到14 K左右,也即能隙大小越大,超导转变温度越低。在Se不断增加的过程中,这个体系的超导相位相干性（从超导相干峰的强度变化看出）也在逐渐增强。我们猜想,上述结果可能表明Fe1+yTe1-xSex在x=0%50%区间内的超导转变温度是由相位相干而不是能隙（配对强度）决定的。2.非中心对称超导体最近获得很大的关注,因为此体系很可能拥有人们非常感兴趣的拓扑超导电性,而拓扑超导态的磁通量子涡旋（vortex）中很有可能存在Majorana零能模。作为结构较简单的非中心对称超导体,PbTaSe2最近受到了广泛的关注。我们用STM/S对其做了系统研究,不仅证实其表面具有超导电性,而且通过准粒子散射图像（Quasiparticle Interference,QPI）发现其表面不存在背散射通道,支持了其表面态存在拓扑的自旋动量锁定特征的理论预言,从而也表明了PbTaSe2是一个很有可能存在拓扑超导电性的体系。3.二维拓扑绝缘体在边界拥有无背散射的拓扑边缘态,使用这种边缘态做导电通道可以制作无能量耗散的电子器件。理论预言,单层ZrTe5/HfTe5是一种大能隙二维拓扑绝缘体,但其边缘态的拓扑非平庸性仍需实验证实。我们利用STM/S对HfTe5的表面单层进行了系统研究,进一步指出了HfTe5的边缘态极有可能是拓扑边缘态,从而为HfTe5是大能隙二维拓扑绝缘体提供了更有力的实验证据。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 超导体发展简史
  •     1.1.1 铁基超导体简介及发展历史
  •   1.2 拓扑绝缘体和拓扑超导体简介及发展历史
  •     1.2.1 二维拓扑绝缘体
  •     1.2.2 三维拓扑绝缘体简介
  •     1.2.3 拓扑超导体简介
  •     1.2.4 非中心对称超导体
  • 第2章 实验手段和实验原理
  •   2.1 实验工具STM简介
  •   2.2 STM的基本原理
  •   2.3 STM的实验手段
  •   2.4 STM实验仪器介绍
  •     2.4.1 STM头（head）简介
  •     2.4.2 STM的低温隔振系统
  •     2.4.3 STM的电子学系统
  •   2.5 STM针尖的制作
  •     2.5.1 STM针尖的电化学制备
  •     2.5.2 STM针尖的进一步处理
  •   2.6 样品的解理
  • 第3章 Fe（Te,Se）体系的研究
  •   3.1 Fe（Te,Se）的研究进展
  •   3.2 Fe（Te,Se）体系的STM研究
  •   3.3 Fe（Te,Se）体系研究结果讨论与实验展望
  • 2体系的研究'>第4章 PbTaSe2体系的研究
  • 2 的研究进展'>  4.1 PbTaSe2的研究进展
  • 2的STM研究'>  4.2 PbTaSe2的STM研究
  •   4.3 关于一维傅里叶变换的优劣讨论
  • 2 实验展望'>  4.4 PbTaSe2实验展望
  • 5的研究'>第5章 三维弱拓扑绝缘体HfTe5的研究
  •   5.1 三维弱拓扑绝缘体的介绍
  • 5的STM研究'>  5.2 HfTe5的STM研究
  • 5结果讨论'>  5.3 HfTe5结果讨论
  • 5实验展望'>  5.4 HfTe5实验展望
  • 第6章 总结与展望
  • 参考文献
  • 个人简历及发表文章目录
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 刘睿哲

    导师: 潘庶亨

    关键词: 扫描隧道显微镜,铁基超导体,非中心对称超导体,拓扑绝缘体

    来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 物理学

    单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

    分类号: O469

    总页数: 91

    文件大小: 4573K

    下载量: 461

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