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复杂过渡金属化合物的新奇物性的光电子谱研究

作　者: 杨乐仙
导　师: 封东来
学　校: 复旦大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 铁基超导体自旋密度波电荷有序时间分辨的双光子光电子能谱
分类号: O469
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 41次
引　用: 1次
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内容摘要

过渡金属化合物体系中的强电子关联以及其中表现出来的丰富的相变、有序以及多自由度竞争,例如电荷,轨道,自旋以及晶格之间的相互作用,一直以来都是凝聚态物理研究领域的热点。随着各种新奇的材料不断被合成,新奇的物理性质被发现,引发了一场又一场凝聚态领域的研究热潮,推动了物理,化学,材料等交叉学科的发展。这些新奇的物理化学性质使得强关联电子材料有可能代替硅而成为新一代电子器件的基底材料,其潜在的应用价值也已经受到广泛关注。另一方面,超高真空、极低温以及超短脉冲激光等技术的迅速发展将我们不断地推进到更复杂、更微观以及超快的研究领域。由于材料尤其是单晶材料的物理化学等性质很大程度上决定于它的电子结构,因此对于材料电子结构的研究在理论和实验上都是非常重要的。而角分辨光电子能谱(Angle Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES)作为唯一一种可以直接在动量空间对材料的电子结构进行刻画的实验工具,被广泛的应用在物理、化学以及材料等领域。它在电子结构、相变以及各种有序现象等负责的研究领域发挥了非常重要的作用,为我们揭示了很多新奇物性的微观本质。而时间分辨的双光子光电子能谱(Time-Resolved Two Photon Photoemission, TR2PPE)更是对传统ARPES的一个强有力的补充。它能够直接在时间域和动量空间对电子的能态以及激发、驰豫等超快的动力学过程进行直接的研究。而载流子激发后的瞬态行为及非平衡态信息在表面、界面电子学,电热输运以及化学反应动力学等领域有重要的研究意义,对于这些动力学过程的理解为我们提供了研究多体体系内部基本相互作用的必要信息,本文首先简单介绍了ARPES技术,然后介绍了利用超高分辨的ARPES在新型铁基超导母体“122”以及“1111”体系中得到的一些结果,最后介绍了我们在实验室内搭建的TR2PPE系统以及在一些简单体系中取得的初步结果,主要的结果如下：1.利用高分辨的ARPES,我们对铁基超导“122”体系母体材料BaFe2As2的电子结构进行了详细的研究。我们率先给出了BaFe2As2正常态和低温自旋密度波(Spin Density Wave)态的电子结构。我们发现低温下体系发生能带劈裂,从而节省了体系的总能量,有利于SDW相变的发生。另外,我们在费米面上观察到可能的能隙打开,说明费米面嵌套机理在SDW相变中也许也起了一定的作用。我们的结果为铁基超导材料中SDW转变的奠定了基础。并为理解超导和SDW之间的关系提供了一定的参考意义。2.利用高分辨的ARPES,我们对“1111”体系的两种代表性的母体材料LaFeAsO和SmFeAsO的电子结构做了详细的研究。我们通过各种实验手段,在“1111”体系的两种代表性的母体材料中确认了一部分体带和表面带。我们发现低温下体带的重构节省了体系的总能量,有利于相变的发生。另外,“1111”体系中尖锐的准粒子峰和比较好的二维性有可能与为什么“1111”体系能够保持铁基超导体的超导转变温度的记录有关。我们的结果将有助于建立一个全局性的铁基超导体的物理图像。3.我们对1/2掺杂的La1-×Sr1+×M n04体系的电子结构做了研究。体系的谱线很宽且具有强耦合体系的非相干特性。有意思的是,这样一个强关联的绝缘体体系中的电荷有序原本应该是用局域的物理图像来描述,但是我们观察到了剩余费米面的嵌套。而且根据自相关函数计算的结果,剩余费米面嵌套在电荷有序中起到了非常重要的作用。我们的结果说明该类绝缘体材料中的电荷有序和传统的巡游的电荷密度波之间存在着某种相似性。也许不能用纯粹的局域化的理论来描述此类强关联绝缘体中的电荷有序。4.利用超短脉冲激光技术,我们在实验室内搭建了TR2PPE系统,用于未占据态、载流子寿命以及超快相变过程的研究。目前系统搭建基本完成,可以在不同的激发模式下切换。我们已经在单晶Cu等一些简单体系中得到一些初步的结果。

全文目录

目录  3-5
摘要  5-7
Abstract  7-10
绪论  10-14
第一章实验技术  14-35
  1.1. 角分辨光电子能谱技术简介  14-16
  1.2. 光电子能谱的基本原理  16-28
  1.3. 实验装备  28-32
  1.4. 实验涉及的同步辐射实验站  32-34
  1.5. 参考文献  34-35
第二章新型铁基超导体"122"体系母体电子结构的研究  35-54
  2.1. 引言  35-36
  2.2. 铁基超导材料与铜基超导材料的比较  36-40
  2.3. BaFe_2As_2的电子结构及SDW态的能带劈裂  40-50
  2.4. 小结  50-51
  2.5. 参考文献  51-54
第三章铁基超导"1111"体系母体表面和体的电子结构  54-84
  3.1. 引言  54-58
  3.2. 样品生长及输运测量  58-59
  3.3. LaFeAsO角分辨光电子能谱实验  59-74
  3.4. SmOFeAs的角分辩光电子能谱实验  74-81
  3.5. "1111"体系总结  81-82
  3.6. 参考文献  82-84
第四章 La_(0.5)Sr_(1.5)MnO_4体系电荷有序与电子结构关联  84-95
  4.1. 引言  84-87
  4.2. 实验结果和讨论  87-93
  4.3. 小结  93-94
  4.4. 参考文献  94-95
第五章时间分辨的双光子光电子能谱实验技术  95-127
  5.1. 引言  95-96
  5.2. 电子动力学  96-101
  5.3. 实验原理  101-113
  5.4. 利用双光子研究相变的超快过程  113-114
  5.5. 实验技术  114-123
  5.6. 初步的实验结果  123-124
  5.7. 小结  124-125
  5.8. 参考文献  125-127
第六章主要结论  127-128
博士期间论文发表情况  128-129
致谢  129-130

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