高分辨率迁移率谱方法对铁基超导体的研究

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铁基超导体是与铜氧化物超导体极为相似的非常规高温超导体,具有(准)二维的层状晶体结构、超过BCS理论极限的超导转变温度、母相的反铁磁序、dome型电荷掺杂超导相图等特性,是研究高温超导机理的一个重要体系。此外,铁基超导体表现出明显的多带效应,导致了奇特的能带结构和电子行为,具有丰富的量子有序态,使之成为凝聚态物理研究的前沿课题。迁移率谱方法是研究多带超导体的能带结构及相关机理的有效手段。该方法已经成功应用在半导体材料、超导材料和拓扑量子材料的能带结构分析上,不需要提前假定载流子的类型与数量。本论文中,我们主要使用高分辨率迁移率谱方法对压力调控的Fe Se单晶、掺杂调控的Fe Se1-xSx单晶和氢化调控的Fe Se单晶进行了研究。本论文具体内容如下:第一章,简单介绍了超导材料的发现与发展过程,描述了铁基超导材料的研究进展,特别是11体系铁基超导体的调控研究,包括压力调控、掺杂调控和氢化调控,介绍了迁移率谱方法的研究进展及应用情况。第二章,介绍了迁移率谱方法的理论背景知识,详细推导出高分辨率迁移率谱算法,并通过模拟数据验证了高分辨率迁移率谱方法的有效性和准确性。第三章,使用高分辨率迁移率谱方法对压力调控的Fe Se单晶进行系统的研究,得到零压下不同温度的Fe Se迁移率谱、20 K和30 K温度下不同压力的Fe Se迁移率谱以及3.8 GPa下不同温度的Fe Se迁移率谱。成功在超导转变区域的迁移率谱中观察到对称的高迁移率峰,证实了在超导转变区域中存在的Cooper对,同时定量地观察到Cooper对对于电导率的贡献。第四章,使用高分辨率迁移率谱方法和第一性原理计算方法对掺杂调控的Fe Se1-xSx单晶进行了研究,分析研究了迁移率、载流子密度以及晶格结构和超导性的演化关系。最后结果表明,在T=20 K时,出现了从Fe S的电子-空穴补偿到Fe Se的电子主导的转换,而Fe S的迁移率谱则显示出在所有温度下都存在电子-空穴补偿。Tc与载流子浓度之间的随机发散关系以及Tc与Se/S阴离子高度之间的V型关系则表明Fe Se1-xSx的超导电性可能是受与键角和阴离子高度等直接相关的交换耦合的强度来调控的。第五章,使用高分辨率迁移率谱方法分析氢化调控的Fe Se单晶。结果表明随着氢化时间的增加,载流子的迁移率逐渐减小。同时发现Fe Se中电子型载流子的电导率贡献率始终大于空穴型载流子,且随着氢化时间的增大,电子型载流子的电导率贡献率存在较大程度的增加,这说明Fe Se始终是电子型载流子占据主导地位。对载流子浓度的计算结果表明,氢化Fe Se单晶的超导转变温度与载流子浓度表现出相关性。第六章对本论文内容进行总结和展望。
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