量子拓扑材料Na3Bi,MoTe2以及铁基超导体LiFeOHFeSe的角分辨光电子能谱研究

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以拓扑绝缘体,拓扑超导体,Dirac半金属,Weyl半金属,nodal line半金属等为代表的量子拓扑材料,以其新奇的物理现象和巨大的应用潜能,成为了最近凝聚态领域的一个研究热点。与此同时,铁基高温超导体,作为铜氧化物高温超导体之后发现的第二类高温超导体,也以其丰富的物理想象,尤其是作为新高温超导载体,能为高温超导机理的解决以及更高超导转变温度的实现提供铜氧化物高温超导体之后额外的实现途径而被广泛的研究。本论文主要介绍了真空深紫外激光角分辨光电能谱仪的工作原理和研制,角分辨光电子能谱对Dirac半金属Na3Bi的研究,角分辨光电子能谱对TypeⅡ Weyl半金属MoTe2的研究,角分辨光电子能谱对二维单相块材体超导的FeSe基超导体(Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se的研究,激光以及空间分辨角分辨光电子能谱对Cr基超导体K2Cr3As3,碳纳米管和Tl0.5Ru0.3Fe2Se2的研究。论文主要包括以下几个部分:  1.介绍量子拓扑材料的背景和进展,介绍铁基高温超导体尤其是FeSe基超导体的背景和进展。  2.介绍角分辨光电子能谱仪,主要是带自旋分辨的角分辨光电子能谱仪工作原理以及搭载减速势Mott自旋探测器带自旋分辨的真空深紫外角分辨光电子能谱系统(SARPES),包括升级版SARPES的新型能量分析器DA30,四轴极低温子系统。同时,简单扩展介绍实验室中飞行时间角分辨光电子能谱仪以及深紫外可调谐激光系统。  3.介绍角分辨光电子能谱对理论预言的拓扑Dirac半金属之一Na3Bi的研究。三维Dirac半金属中低能激发的准粒子行为像标准的Dirac费米子,可以被用标准的4×4Dirac方程等效地描述。拓扑Dirac半金属Na3Bi,沿着布里渊区A-F-A方向存在一对三维的Dirac点,在晶体(100)侧表面存在Fermi arc表面态连接这一对三维Dirac点。我们利用角分辨光电自能谱仪对Na3Bi进行了详细的研究。首先证明,Na3Bi是可以沿(001)和(100)两个解理面解理的,而且在(001)面确定了Dirac点的存在。我们进一步利用变光子能量手段在(001)面证明了Dirac点的三维性以及沿着面外kz方向色散中一对三维Dirac点存在。利用(100)解理面,我们直接清楚地观测到了一对三维Dirac点以及连接它们的Fermi arc表面态的存在。两个面的结果相互印证,从实验上确立了Na3Bi是一个拓扑Dirac半金属,存在Feimi arc表面态连接三维Dirac点。这与理论和先前ARPES研究报道吻合。同时我们给出一些不同于先前ARPES研究的结果,包括(001)面布里渊区(K)点处的费米面,确定哪个能带是贡献Dirac点的能带,沿kz方向布里渊区边界加倍的问题。  4.介绍角分辨光电子能谱对理论预言的TypeⅡ Weyl半金属之一MoTe2的研究。高能物理里真实的粒子与晶体系统中的准粒子所要求的对称性可以是不同的,基于这个认识,理论预言了在晶体系统中Lorenz不变性缺失时TypeⅡ Weyl半金属或者TypeⅡ Weyl费米子的存在。此时,Weyl点是由晶体体电子包和体空穴包在布里渊区中的有限接触点贡献,Weyl锥将非常倾斜,以至于相应的Weyl点费米面经过Lifshiz转变。在TypeⅡ Weyl半金属中Fermi arc表面态和手性反常也存在。利用超高分辨率ARPES对MoTe2进行了研究,我们发现了MoTe2是一个TypeⅡ Weyl半金属的能带证据。我们在MoTe2中建立了完整的体能带和表面态的图像,与理论预言吻合。在可能存在Weyl点的区域我们发现只存在一支表面态,它连接着一个体电子包和体空穴包。通过详细的变温度ARPES测量,在费米能级以上~40 meV的地方发现了一个突兀的强度点而且这个点的位置与理论预期的TypeⅡWeyl点位置一致。结果包含了MoTe2是一个Weyl半金属的能带信息,同时支持只存在两对TypeⅡWeyl点的理论图像。  5.介绍角分辨光电子能谱对FeSe基超导体中(Li1-xFex)OHFe1-ySe(FeSe11111)的研究。获取了它全面的光电子能谱信息,发现它无论是能带结构,费米面构型,能隙的大小,动量依赖以及对称性都与生长在SrTiO3衬底上的单层FeSe薄膜(FeSe/STO)相似,即只在M点存在电子型费米面,在Γ不存在空穴型费米面。这个结果不支持费米面嵌套作为电子配对进而导致高温超导产生的理论图像。FeSe11111,以其体超导,二维性,纯净单一相,较大的FeSe层间距离和相对高的超导转变温度(~41 K)的优点,对它的全面研究,尤其是能带结构的研究可以进一步用来厘清费米面构型,FeSe层间距以及界面对于FeSe基高温超导的影响。  6.介绍激光ARPES和具有超强空间分辨率的Nano-ARPES对可能是菲常规超导的Cr基超导体K2Cr3As3,硅衬底上的碳纳米管以及超导与绝缘相共存的AxFe2-ySe2中Tl0.5Ru0.3Fe2Se2的研究。其中,观测到了针状空气敏感的K2Cr3As3超导体的能带色散;观测到了碳纳米管的空间价带图像和可能的能带色散;观测到了Tl0.5Ru0.3Fe2Se2超导和绝缘两相微观共存的证据,同时给出了它们在费米能级附近的能带色散区别。这些结果为将来后续的研究提供了有益的信息。
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