金屬氧化物功能材料奇異電子結(jié)構(gòu)的高分辨角分辨光電子能譜研究.pdf

1、強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子材料,特別是金屬氧化物材料,因具有多自由度競(jìng)爭(zhēng)(電荷、自旋、軌道、晶格等)和低維性,呈現(xiàn)出豐富多彩的物理性質(zhì)和物質(zhì)形態(tài)(例如,高溫超導(dǎo),巨熱電勢(shì)效應(yīng)等),以及潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值,不僅成為凝聚態(tài)物理學(xué)界最熱門(mén)的研究課題,更得到工業(yè)界的廣泛關(guān)注。近年來(lái),隨著研究的不斷深入,新型非常規(guī)高溫超導(dǎo)體和更高熱電系數(shù)材料的不斷出現(xiàn),金屬氧化物功能材料引起越來(lái)越廣泛的興趣,促進(jìn)了物理、化學(xué)、材料學(xué)等多個(gè)學(xué)科科學(xué)家間的緊密合作。目前,同步輻射技

2、術(shù)與實(shí)驗(yàn)儀器的不斷進(jìn)步,為研究各種新型材料提供了強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)工具,并已有效地應(yīng)用于研究新型電子材料的電子結(jié)構(gòu)、相變和各種有序現(xiàn)象、小尺度結(jié)構(gòu)和微量分析等方面。其中,角分辨光電子能譜作為目前唯一可以同時(shí)測(cè)量固體中費(fèi)米能級(jí)附近電子能帶結(jié)構(gòu)、價(jià)電子的能量、運(yùn)動(dòng)方向和散射性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)手段,被廣泛的應(yīng)用于研究各種關(guān)聯(lián)電子材料的電子結(jié)構(gòu)、相變及其中的各種有序現(xiàn)象。本文介紹了利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)對(duì)具有高熱電系數(shù)的不匹配層狀結(jié)構(gòu)氧化物和三角晶格鈷

3、氧化合物,以及新發(fā)現(xiàn)的鐵基高溫超導(dǎo)體等材料的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究,得到了以下結(jié)果:1.結(jié)合同步輻射技術(shù),利用高分辨角分辨光電子能譜對(duì)具有巨熱電系數(shù)的不匹配層狀結(jié)構(gòu)氧化物材料Bi2Ba1.3K0.6Co2.1O7.94(BBKCO)的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的研究,揭示了在巨大應(yīng)變存在下氧化物界面的電子結(jié)構(gòu)。BBKCO的結(jié)構(gòu)是由交替堆疊的巖鹽結(jié)構(gòu)[BiO/BaO]層和六角的[CoO2]層構(gòu)成,我們發(fā)現(xiàn)不同氧化物層的低能電子態(tài)被分別局限在界面兩

4、邊的各自層內(nèi),但是仍然會(huì)受到另一邊的非公度晶體場(chǎng)的散射作用。并且,由于巖鹽層[BiO/BaO]巨大應(yīng)力的存在,而導(dǎo)致產(chǎn)生大的電荷轉(zhuǎn)移到鄰近的[CoO2]層。此外,我們還發(fā)現(xiàn)另一個(gè)奇異的性質(zhì),就是由于界面效應(yīng)而被增強(qiáng)的電子-聲子相互作用。我們的工作為理解氧化物界面上的物理問(wèn)題提供了電子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),并且也為將來(lái)設(shè)計(jì)氧化物電子學(xué)器件提供了重要的指導(dǎo)意義。2.利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)對(duì)不同摻雜三角晶格鈷氧化合物AxCoO2(A=Na,K)的

5、電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。這類(lèi)材料不僅具有較高的熱電系數(shù),其中NaxCoO2還是非常規(guī)超導(dǎo)體NaxCoO2·yH2O的母體材料,因此研究AxCoO2的電子結(jié)構(gòu)及費(fèi)米面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)解釋其超導(dǎo)機(jī)理及熱電性能有著重要的輔助作用。我們通過(guò)對(duì)不同摻雜樣品的測(cè)量比較,得到了母體材料AxCoO2細(xì)致的能帶結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)粒子散射率及費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等信息,加深了對(duì)這類(lèi)鈷氧化合物及其超導(dǎo)樣品的理解。3.對(duì)新型鐵基高溫超導(dǎo)體SmO1-xFxFeAs的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了角

6、積分光電子能譜研究。我們通過(guò)研究1111系鐵基超導(dǎo)體SmO1-xFxFeAs費(fèi)米面附近的態(tài)密度隨著溫度變化而發(fā)生的演化,發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低,在所有摻雜樣品中都存在明顯的態(tài)密度壓制,并且觀察到了兩個(gè)特征能量尺度——10meV和80meV。但是,這兩個(gè)能量尺度并不隨著摻雜變化而發(fā)生變化,存在于所有摻雜樣品中。對(duì)于10meV能量尺度的態(tài)密度壓制,我們認(rèn)為是由于反常的不隨摻雜變化的正常態(tài)贗能隙導(dǎo)致的,當(dāng)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí),它將演變?yōu)槌瑢?dǎo)能隙;而對(duì)于80

7、meV的壓制,我們提醒指出,這可能是由于多晶樣品中的雜質(zhì)因素導(dǎo)致的。我們的工作在鐵基超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)早期,首先對(duì)該類(lèi)樣品進(jìn)行了系統(tǒng)細(xì)致的光電子能譜研究,為后續(xù)研究提供了很好的參考作用。4.利用高分辨角分辨光電子能譜技術(shù)對(duì)新型鐵基超導(dǎo)體BaFe2-xNixAs2(x=0.1,0.16,0.2)單晶樣品的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。我們的結(jié)果顯示,作為122系鐵基超導(dǎo)體母體材料的BaFe2As2的Fe位原子被同樣帶有磁性的Ni原子替代,這三種摻雜樣中