角分辨光电子能谱技术发展及对铜氧化物高温超导体研究

论文摘要

高温超导机理无疑是凝聚态物理一个最重要的科学问题之一,而角分辨光电子能谱技术在高温超导体研究中,为理解其微观机理提供了丰富的实验证据。实验技术和仪器的革新和科学研究的推进相互促进,在高温超导研究领域是一个非常好的范本。本论文先从传统超导理论出发,介绍了超导机理研究发展的重要节点和现状,提出了本文研究的相关问题。继而通过介绍角分辨光电子能谱（ARPES）的原理,指出了其在研究超导机理中至关重要的作用。本论文的研究工作分仪器研制和实验研究两部分。在仪器研制方面,重点描述了新一代双模式光电子能谱仪的设计、组装和测试的结果;在实验研究方面,主要介绍了利用激光角分辨光电子能谱技术对电子型和空穴型铜氧化物高温超导体电子结构的研究,系统地分析了电子结构中能隙、色散关系和和能量尺度等问题,旨在寻找高温超导机理相关的因素。论文具体如下内容:1.第一章简要介绍了超导发现历史和研究背景。介绍了传统超导体的超导机理和BCS超导理论,重点介绍了非常规超导体的发现历史和不同家族,并综述了近期发现的其它新奇超导现象。最后介绍了铜氧化物高温超导体的晶体结构、电子结构和相图,以及其中的BSCCO体系超导体的相关研究背景。2.第二章介绍了ARPES的原理和实验技术,以及从ARPES测量数据中获取的信息及相关数据分析方法。介绍了激光ARPES在低能激发探测中的优势以及所在研究组的激光ARPES系统。其中重点介绍了（1）参与维护的ARToF-ARPES系统和配备的二维能量探测器以及7eV和11eV激光;（2）从零开始参与搭建的大动量极低温3He激光ARPES系统。3.第三章描述了新一代双模式光电子发射谱分析仪的设计、安装和测试。随着科学研究的不断深入,对角分辨光电子能谱精度和效率的要求进一步提高,同时由于材料中存在的不同结构和不均匀性,需要能够对微区形貌和电子结构探测的实验手段。对同一个样品能实现动量空间探测、实空间探测以及微区电子结构探测,是科学研究长期追求的理想实验手段。在本组ARToF分析器的经验基础上,模拟了新一代双模式光电子发射谱分析器,利用电子透镜组合在一个分析器上完成实空间和倒空间的双模式探测。模拟计算结果表明,该光电子发射谱分析仪的能量分辨率可达到0.5meV,动量角度分辨好于0.16°,空间分辨率达到80nm。搭建了测试平台,得到了初步测试结果。4.第四章研究了电子型铜氧化物高温超导体Pr1-xLaCexCuO4O4-δ（PLCCO）的费米面和能带结构,给出激光ARPES对电子型铜氧超导体的研究数据,观察到50meV的能量尺度。电子型铜氧化物超导体因为高质量单晶难以获得,材料本身三维性较强不容易解理等原因,一直缺乏高分辨率的激光ARPES测试结果。我们采用真空紫外激光（7eV）和氦灯（21.2eV）两种光源,对同样组份或组份接近的样品开展了ARPES测量,发现测量的费米面区别于以前的结果,和普遍“hotspot”图像不一致,讨论了造成费米面变化的原因。采用激光ARPES成功地在电子型高温超导体中获得高质量的数据,验证了激光ARPES对电子型超导体测量的可行性。利用激光ARPES数据,对电子型超导体PLCCO的自能进行了研究,观察到50meV的能量尺度,研究了其动量及温度依赖关系。5.第五章描述利用真空紫外激光ARPES,对一系列不同掺杂Bi2 Sr22CaCu2O8+δ（Bi2212）超导体超导能隙和自能的研究。通过退火改变氧含量获得了高质量的、窄超导转变宽度的、不同掺杂的Bi2212单晶样品。利用高分辨激光ARPES,精确测量了欠掺到过掺Bi2212的超导能隙,及其随掺杂、动量及温度的演化关系,发现在节点区域满足标准d波形式的费米面区域随着掺杂的增加而延长。研究了电子自能随掺杂、动量和温度的演化,发现自能实部最大值代表的低能相互作用能量尺度,对欠掺区域和过掺区域表现出不同的动量变化行为:对欠掺区域,该能量尺度随动量不发生明显变化,而对过掺区域,该能量尺度从节点到反节点方向不断减小。6.第六章利用高分辨率激光ARPES对过掺Bi2212（OD75K）双层劈裂,以及相关的超导能隙和多体相互作用进行了系统的研究。首次观察到Bi2212的成键费米面（对应载流子浓度0.14）和反键费米面（对应载流子浓度0.27）具有不同的超导能隙,在反节点的超导能隙大小差别为～2 meV。反键费米面的超导能隙基本符合标准d波的形式,而成键费米面的超导能隙则偏离标准的d波形式。该结果为研究费米面的拓扑结构与超导能隙的关系提供了重要信息。通过研究双层劈裂产生的两支能带沿着整个费米面的动量演化,提取了电子自能,获得了成键和反键能带上观察到的能量尺度（～40meV和～70meV）随动量的演化关系。

论文目录

摘要

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符号列表

第1章引言

1.1 超导

1.1.1 BCS理论

1.1.2 高温超导体

1.1.3 强关联电子间相互作用

1.1.4 其他新奇超导体

1.2 铜氧化物高温超导体

1.2.1 晶体结构

1.2.2 电子结构

1.2.3 相图

1.3 对BSCCO高温超导体的ARPES研究

1.3.1 费米面

1.3.2 超导能隙和赝能隙

1.3.3 多体相互作用

第2章角分辨光电子能谱仪的原理及应用

2.1 ARPES与光电效应

2.2 三步模型与突发近似

2.3 ARPES数据——谱强度

2.3.1 矩阵元效应

2.3.2 费米截止

2.3.3 单粒子谱函数

2.3.4 分辨率

2.4 ARPES数据分析——MDC和EDC及自能

2.5 电子平均自由程和ARPES探测深度

2.6 SC7实验室的深紫外激光ARPES

2.6.1 激光ARPES的优势

2.6.2 6.994eV深紫外激光

2.6.3 ARToF-ARPES系统

2.6.4 LLL-ARPES系统

第3章新一代TOF双模式电子能量分析器研发

3.1 能量分析器的发展

3.1.1 角积分到角分辨

3.1.2 能量分辨率的提高

3.1.3 加入其他探测尺度的能量分析器

3.2 实空间探测和倒空间探测

3.2.1 ARPES和PEEM

3.2.2 k-PEEM和Nano-ARPES

3.3 新一代基于飞行时间的电子能量分析器的建模

3.3.1 设计原理

3.3.2 模拟探测的飞行轨迹

3.3.3 模拟探测的分辨率

3.4 搭建测试平台

3.4.1 测试光路的搭建

3.4.2 控制系统

3.5 小结

第4章 ARPES对电子型铜氧化合物PLCCO单晶的研究

4.1 研究背景

*相'> 4.1.1 晶体结构—T,T'和T^*相

4.1.2 电子型铜氧化物超导体的相图

4.1.3 电子型掺杂铜氧化物超导体的费米面

4.1.4 电子型化合物中普遍存在的50meV能量尺度

4.2 实验方法和样品

4.3 实验研究

4.3.1 不同光源对PLCCO费米面的测量

4.3.2 7eV激光对PLCCO能带结构的研究

4.4 小结

第5章 ARPES对Bi2212欠掺到过掺能隙和电子结构的研究

5.1 研究背景

5.2 样品制备和实验方法

5.2.1 样品退火

5.2.2 实验记录

5.3 研究结果

5.3.1 能隙随动量、温度和掺杂的变化

5.3.2 对多体效应的研究

5.4 小结

第6章 ARPES对过掺杂Bi2212单晶中双层能带劈裂的研究

6.1 研究背景

6.2 实验方法

6.2.1 样品的制备与表征

6.2.2 实验仪器与设置

6.3 研究结果

6.3.1 费米面和双层劈裂

6.3.2 能量分布曲线和超导能隙

6.3.3 对能带色散的研究

6.4 小结

第7章总结与展望

参考文献

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

附件

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 艾平

导师: 周兴江

关键词: 深紫外激光,角分辨光电子能谱仪,铜氧化物高温超导体,能隙,费米面

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: O511.3

总页数: 161

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