铁基超导体11和111体系的角分辨光电子能谱研究：电子结构与超导机制探索

铁基超导体11和111体系的角分辨光电子能谱研究：电子结构与超导机制探索一、引言1.1研究背景与意义超导现象自1911年被发现以来，一直是凝聚态物理领域的研究热点。超导体在临界温度以下表现出零电阻和完全抗磁性，这些独特的性质使其在能源传输、医疗成像、量子计算等众多领域展现出巨大的应用潜力。例如，超导电缆可实现无损耗的电力传输，极大提高能源利用效率；在医疗领域，超导磁体用于核磁共振成像（MRI），能够提供高分辨率的人体内部图像，助力疾病诊断。然而，尽管经过多年研究，超导的微观机制仍未被完全理解，尤其是对于高温超导体，如铜氧化物超导体和铁基超导体。铁基超导体作为第二类高温超导体系，于2008年被发现。其发现打破了长期以来认为铁元素不利于形成超导的观念，开启了超导研究的新篇章。与铜氧化物超导体相比，铁基超导体具有独特的晶体结构和电子特性。铁基超导体的晶体结构主要分为“1111”“122”“111”和“11”等体系。以“1111”体系的LaOFeAs为例，其具有层状结构，由LaO层和FeAs层交替堆叠而成；“11”体系的FeSe结构则更为简单，仅包含Fe和Se原子组成的层状结构。这些不同的晶体结构赋予了铁基超导体多样的物理性质，为研究超导机制提供了丰富的素材。深入研究铁基超导体对于理解超导机制具有重要意义。一方面，铁基超导体的超导转变温度相对较高，部分体系可达55K以上，这为探索高温超导的物理机制提供了新的平台。通过研究铁基超导体，有望揭示高温超导中电子配对的本质，以及超导与磁性、晶格结构等因素之间的相互作用。另一方面，铁基超导体的发现丰富了超导材料的家族，为开发新型超导材料和拓展超导应用领域提供了理论基础。例如，铁基超导材料在高场磁体、超导电缆、电机等强电领域具有潜在的应用价值，其高临界磁场和相对较高的临界温度使其在这些应用中具有优势。角分辨光电子能谱（ARPES）是研究材料电子结构的强有力工具。它能够直接测量材料中电子的能量和动量分布，提供关于能带结构、费米面形状以及超导能隙等关键信息。在铁基超导体研究中，ARPES发挥着不可或缺的作用。通过ARPES测量，可以精确确定铁基超导体的费米面拓扑结构。研究发现，铁基超导体的费米面通常由多个电子型和空穴型口袋组成，这些口袋之间的相互作用对超导配对机制至关重要。ARPES还能探测超导能隙的对称性和大小，为确定超导配对对称性提供直接证据。在某些铁基超导体中，ARPES实验发现超导能隙呈现出各向异性，这对于理解超导配对的微观机制具有重要意义。对铁基超导体11和111体系进行角分辨光电子能谱研究，不仅有助于深入理解这两个体系的电子结构和超导特性，还能为揭示铁基超导体的整体超导机制提供关键线索，对推动超导物理的发展和超导材料的应用具有重要的理论和实际意义。1.2铁基超导体概述2006年，日本东京工业大学的细野秀雄（HideoHosono）教授团队发现了首个以铁为主要成分的超导化合物LaFeOP，打破了长期以来铁元素不利于形成超导的传统观念。2008年初，该团队又宣布在LaOFeAs（x=0.05–0.12）中观察到了26K的超导现象，引发了全球范围内对铁基超导体的研究热潮。同年3月，中国科学院物理研究所的赵忠贤领导的团队报告了氟掺杂镨氧铁砷化合物的高温超导临界温度达到52K；4月，该团队进一步发现氟掺杂钐氧铁砷化合物在高压下超导临界温度提高至55K。这些突破性的发现，使得铁基超导体迅速成为凝聚态物理领域的研究焦点。铁基超导体的晶体结构主要分为“1111”“122”“111”和“11”等体系。在“1111”体系中，以LaOFeAs为典型代表，其具有层状结构，由LaO层和FeAs层交替堆叠而成。LaO层中的La离子和O离子形成类似岩盐结构的平面，FeAs层则由Fe原子和As原子组成二维网状结构，Fe原子位于As原子构成的四面体中心。这种结构使得电子在FeAs层中具有较强的相互作用，对超导性质产生重要影响。“122”体系以BaFe₂As₂为代表，其结构由Ba原子层和Fe₂As₂层交替排列组成。Fe₂As₂层中的Fe原子形成正方形晶格，As原子位于正方形的对角线上，与Fe原子形成较强的化学键。Ba原子层起到电荷补偿和调节层间距离的作用，对超导转变温度等性质有显著影响。“111”体系的LiFeAs晶体结构中，Li原子与FeAs层交替排列，FeAs层的结构与其他体系中的FeAs层类似，但Li原子的存在方式和作用与其他体系有所不同，导致该体系具有独特的物理性质。“11”体系的FeSe结构最为简单，仅包含Fe和Se原子组成的层状结构，Fe原子和Se原子交替排列形成二维层状结构，层间通过较弱的范德华力相互作用。这种简单的结构为研究超导机制提供了相对简洁的模型体系。其中11体系的代表材料是FeSe，其结构简单，仅由Fe和Se原子组成的层状结构构成。这种简单结构使得FeSe成为研究铁基超导基本物理性质的理想体系。在FeSe中，Fe原子形成四方晶格，Se原子位于Fe原子构成的四面体顶点，Fe-Se键的特性对电子结构和超导性能影响显著。11体系的超导转变温度相对较低，常压下FeSe的超导转变温度约为8K。但通过一些外部调控手段，如施加压力、进行化学掺杂等，其超导转变温度可显著提高。在高压下，FeSe的超导转变温度可提升至37K左右，展现出该体系在超导研究中的潜力。111体系以LiFeAs为典型代表，其晶体结构中Li原子与FeAs层交替排列。Li原子的存在对FeAs层的电子结构和电荷分布产生重要影响。与其他体系相比，111体系具有独特的电子结构和超导特性。LiFeAs的超导转变温度约为18K，其电子结构中存在多个电子型和空穴型费米面，这些费米面之间的相互作用对超导配对机制至关重要。111体系在空气中相对不稳定，这在一定程度上限制了其研究和应用，但也促使研究人员探索新的合成和制备方法，以克服这些问题，深入挖掘其超导特性。1.3角分辨光电子能谱技术简介1.3.1ARPES基本原理角分辨光电子能谱（ARPES）的基本原理基于光电效应。当一束具有足够能量的光子照射到材料表面时，光子与材料中的电子相互作用，电子吸收光子的能量后获得足够的能量克服材料表面的束缚势垒，从而逸出材料表面成为光电子。根据爱因斯坦光电效应方程，光电子的动能E_{k}与入射光子能量h\nu和材料的功函数\Phi之间满足关系：E_{k}=h\nu-\Phi。在ARPES实验中，不仅涉及能量守恒，还遵循动量守恒定律。在固体材料中，电子的动量由晶体动量\vec{k}描述。在光电子发射过程中，晶体动量在平行于材料表面的方向上守恒，即\vec{k}_{\parallel}^{in}=\vec{k}_{\parallel}^{out}。其中，\vec{k}_{\parallel}^{in}和\vec{k}_{\parallel}^{out}分别为电子发射前和发射后的平行于表面的晶体动量。通过测量光电子的出射角度\theta和\varphi以及其动能E_{k}，可以计算出光电子的动量分量。假设光电子的动量大小为p=\sqrt{2mE_{k}}（其中m为电子质量），则平行于表面的动量分量k_{x}和k_{y}可表示为：\begin{cases}k_{x}=\frac{p\sin\theta\cos\varphi}{\hbar}\\k_{y}=\frac{p\sin\theta\sin\varphi}{\hbar}\end{cases}垂直于表面的动量分量k_{z}由于受到表面势垒的影响，计算较为复杂，但在一些近似条件下也可以进行估算。通过测量不同角度出射的光电子的能量和动量，就可以获得材料中电子的能量-动量分布，即电子结构信息。这些信息包括能带结构，展示了电子能量与动量之间的关系；费米面，它是能量为费米能级的等能面，反映了材料中电子的填充状态；以及能隙，体现了不同能带之间的能量间隔，对于理解材料的电学、光学等性质至关重要。1.3.2ARPES在超导研究中的应用ARPES在超导研究中发挥了关键作用，为揭示超导材料的微观机制提供了重要实验依据。在铜氧化物超导体研究中，ARPES被广泛用于探测其电子结构。研究发现，铜氧化物超导体的费米面呈现出独特的形状，在欠掺杂区域存在着明显的电子-空穴不对称性。通过ARPES测量超导能隙，发现其具有d波对称性，即能隙在费米面上存在节点，这一发现对建立铜氧化物超导体的超导配对理论起到了关键作用。在铁基超导体研究中，ARPES同样取得了一系列重要成果。中国科学院物理研究所的周兴江研究组利用ARPES率先研究了铁基超导体的能带结构和费米面。在对(Sr,K)Fe₂As₂超导体的测量中，最早报道了铁基超导体的能带结构具有重整化效应，实验测量的能带宽度与能带计算结果相比表现出2-3倍的变窄。同时，还首次观察到在M点附近出现的奇特的费米面拓扑形状，存在两个类似于狄拉克椎(Diraccone-like)结构的亮点，这些结果不能用简单的能带计算来描述和理解。对于铁基超导体的超导能隙研究，ARPES也提供了关键信息。周兴江研究组通过对最佳掺杂（Ba₀.₆K₀.₄）Fe₂As₂超导体的电子结构和能隙测量，发现超导能隙在费米面上基本上表现为各向同性，未观测到节点的存在，且超导能隙和费米面相关，不同的费米面表现出不同大小的超导能隙。这些结果表明，铁基超导体的超导能隙与各向同性的s波一致，为确定铁基超导体超导对称性提供了重要依据。在研究铁基超导体从反铁磁母体到超导体的演变过程中，ARPES也发挥了重要作用。对铁基超导体122系列的母体BaFe₂As₂的研究发现，在磁转变/结构转变前后，其电子结构不是表现为简单的能带折叠，而是表现为剧烈的电子结构重组，而且在磁有序态没有发现能隙的打开。这明确地提出，BaFe₂As₂中的磁转变与通常的自旋密度波形成有显著区别。ARPES在超导研究中通过精确测量电子结构、费米面和能隙等关键信息，为理解超导机制提供了直接的实验证据，推动了超导物理领域的发展。二、实验方法与样品制备2.1角分辨光电子能谱实验装置本研究使用的角分辨光电子能谱实验装置主要由光源、样品室、能量分析器和探测器等部分组成，各部分协同工作，以实现对样品电子结构的精确测量。光源是ARPES实验装置的关键组成部分，其性能直接影响到实验的分辨率和可探测的电子能量范围。本实验采用的是真空紫外激光光源（VUVLaser）。相较于传统的氦灯光源，真空紫外激光光源具有更高的亮度和更好的单色性。其输出的光子能量可精确调节至特定范围，例如在本次实验中，主要使用的光子能量为16.8eV和21.2eV。这种精确的光子能量调节能力，使得能够针对不同的材料和研究目的，选择最合适的光子能量进行激发，从而获得更准确的电子结构信息。高亮度的特性使得光电子的产生效率大大提高，缩短了实验测量时间，同时也提高了信号的信噪比，有利于探测到微弱的电子信号。样品室是放置样品并进行实验测量的区域，需要满足超高真空环境、精确的温度控制以及样品的精确定位和角度调节等要求。本实验的样品室通过多级真空泵系统实现了超高真空环境，其极限真空度可达10^{-10}mbar。在如此高的真空度下，可有效减少样品表面的污染和气体分子对光电子的散射，确保光电子能够从样品表面顺利逸出并被准确探测。样品的温度控制对于研究材料在不同温度下的电子结构变化至关重要。本装置配备了先进的低温冷却系统，能够将样品温度精确控制在10K-300K范围内。通过精确调节样品温度，可以研究铁基超导体在超导转变温度附近以及不同温度区间的电子结构演变，为理解超导机制提供关键信息。例如，在研究铁基超导体从正常态到超导态的转变过程中，通过逐步降低样品温度并实时测量电子结构，可以观察到超导能隙的打开以及费米面附近电子态的变化。样品的定位和角度调节装置确保了能够精确测量光电子在不同动量方向上的能量分布。样品台具有高精度的六轴调节功能，可实现样品在三维空间中的精确移动和绕三个坐标轴的角度旋转。通过精确调节样品的角度，可以在动量空间中扫描不同的方向，获取完整的电子能量-动量分布信息，从而全面了解材料的电子结构。能量分析器是ARPES装置的核心部件之一，用于精确测量光电子的能量和动量。本实验采用的是半球形能量分析器（SphericalSectorAnalyzer）。其工作原理基于静电场对光电子的偏转作用，通过调节分析器内部的静电场强度和方向，不同能量和动量的光电子会沿着不同的轨迹运动，最终被探测器探测到。半球形能量分析器具有出色的能量分辨率和角度分辨率。在典型的工作条件下，能量分辨率可达1.5meV，这意味着能够精确区分能量差异极小的光电子，对于研究超导能隙、能带结构等精细的电子结构特征至关重要。角度分辨率可达0.1°，可以精确测量光电子的出射角度，从而准确确定其动量方向，为绘制高精度的电子能量-动量色散关系图提供了保障。探测器负责收集经过能量分析器筛选后的光电子信号，并将其转化为电信号或数字信号进行后续处理和分析。本装置采用的是位置敏感探测器（Position-SensitiveDetector）。它能够同时记录光电子的位置信息，从而确定光电子的出射角度，与能量分析器配合，实现对光电子能量和动量的二维测量。位置敏感探测器具有高灵敏度和快速响应的特点，能够在短时间内收集大量的光电子信号，提高实验测量效率。同时，其高精度的位置分辨能力确保了对光电子出射角度的精确测量，为获得准确的电子结构信息提供了可靠的保障。本实验所使用的ARPES装置各部分性能卓越，相互配合，能够实现对铁基超导体11和111体系电子结构的高精度测量，为深入研究其超导特性和电子结构提供了有力的实验手段。2.2样品制备与表征2.2.111体系（如FeSe）样品制备FeSe样品的制备方法主要有化学气相沉积法（CVD）和分子束外延法（MBE）。化学气相沉积法具有设备相对简单、可大面积制备等优点。在使用化学气相沉积法制备FeSe样品时，首先准备高纯度的Fe和Se源，如纯度达到99.99%的Fe粉和Se粉。将作为衬底的材料，如SrTiO₃单晶衬底，进行严格的清洗处理，以去除表面的杂质和氧化物，确保衬底表面的纯净度和平整度。可依次使用丙酮、酒精和去离子水对衬底进行超声清洗，每个步骤清洗时间不少于15分钟。将清洗后的衬底放置于CVD反应室中，进行高温加热，通常将温度升高至800-1000°C。在高温环境下，将经过精确配比的Fe和Se反应气体，如Fe(CO)₅和H₂Se，通过气体输送系统以稳定的流量送入反应室。Fe(CO)₅在高温下分解产生Fe原子，H₂Se分解产生Se原子，这些原子在衬底表面发生化学反应，生成FeSe并沉积在衬底表面。在反应过程中，精确控制反应时间、温度、反应气体流量和压力等条件至关重要。例如，反应时间一般控制在2-4小时，以确保FeSe薄膜能够均匀生长且达到合适的厚度；反应气体流量需根据反应室的大小和衬底的面积进行精确调节，以保证反应气体在反应室内均匀分布。通过这些精细的控制，可得到高质量的FeSe样品。分子束外延法是一种在超高真空环境下进行的原子级精确控制的薄膜生长技术。在制备FeSe样品时，将Fe和Se原子束分别由独立的蒸发源产生，在超高真空（真空度可达10^{-10}mbar）的生长室中，这些原子束在精确的监控下，以极低的速率（通常为每秒零点几个原子层）蒸发到加热的衬底表面。衬底通常选用具有特定晶向的高质量单晶材料，如Al₂O₃(0001)衬底。通过精确控制原子束的蒸发速率和衬底的温度，Fe和Se原子在衬底表面逐层生长，形成高质量的FeSe薄膜。在生长过程中，利用反射式高能电子衍射（RHEED）实时监测薄膜的生长过程，确保薄膜的原子排列整齐，结晶质量高。分子束外延法制备的FeSe样品具有原子级的平整度和高质量的结晶结构，但设备昂贵，制备过程复杂，产量较低。在制备FeSe样品时，还需注意一些关键事项。反应气体的纯度对样品质量影响极大，必须使用高纯度的反应气体，以避免杂质掺入样品中，影响其超导性能。衬底的选择和处理也至关重要，衬底的晶格常数与FeSe的匹配程度会影响薄膜的生长质量和外延关系。在生长过程中，要严格控制环境因素，如避免外界震动对原子束的干扰，保持生长环境的稳定性，以确保制备出高质量的FeSe样品，满足后续角分辨光电子能谱研究的需求。2.2.2111体系（如LiFeAs、NaFeAs）样品制备LiFeAs样品的制备通常采用高温固相反应法。首先，按照化学计量比精确称取高纯度的Li、Fe和As原料，例如使用纯度为99.99%的Li块、Fe粉和As粉。将这些原料充分混合，可采用球磨的方式，在氩气保护的手套箱中进行球磨，球磨时间为12-24小时，以确保原料均匀混合。将混合后的原料装入耐高温的坩埚中，如氧化铝坩埚，然后放入高温炉中进行烧结。升温过程需缓慢进行，以避免原料因温度变化过快而导致反应不均匀，通常以5-10°C/min的速率升温至800-900°C。在该温度下保温12-24小时，使原料充分反应。反应结束后，随炉冷却至室温，得到LiFeAs多晶样品。NaFeAs样品的制备可采用熔盐法。以NaCl-KCl混合熔盐作为反应介质，将Na、Fe和As按化学计量比加入到熔盐中。在氩气保护的环境下，将混合体系加热至500-600°C，并搅拌均匀，使原料在熔盐中充分溶解并发生反应。反应持续10-20小时后，将反应体系冷却至室温。通过离心或过滤的方法分离出产物，并用去离子水多次洗涤，以去除表面残留的熔盐。最后在真空干燥箱中干燥，得到NaFeAs样品。不同制备方法对样品质量和性能有着显著影响。高温固相反应法制备的LiFeAs样品，虽然工艺相对简单，但样品内部可能存在较多的缺陷和杂质，影响其超导性能。例如，由于原料混合不均匀或反应不完全，可能导致样品中存在未反应的Fe或As单质，这些杂质会影响电子结构和超导配对机制。而熔盐法制备的NaFeAs样品，由于在熔盐环境中反应，原子扩散更加均匀，样品的结晶质量相对较高。但该方法制备过程较为复杂，且熔盐的残留可能对样品性能产生一定影响，需要严格控制洗涤步骤，以确保样品的纯度。在选择制备方法时，需综合考虑样品的质量要求、制备成本和工艺复杂性等因素，以获得满足研究需求的高质量111体系样品。2.2.3样品表征技术采用X射线衍射（XRD）技术对样品的晶体结构进行表征。XRD的基本原理是利用X射线与晶体中原子的相互作用产生衍射现象。当一束X射线照射到样品上时，晶体中的原子会对X射线产生散射，散射波在某些特定方向上相互干涉加强，形成衍射峰。根据布拉格定律2d\sin\theta=n\lambda（其中d为晶面间距，\theta为衍射角，n为衍射级数，\lambda为X射线波长），通过测量衍射峰的位置和强度，可以确定样品的晶体结构、晶胞参数以及物相组成。在对FeSe样品进行XRD测试时，将样品研磨成细粉末，均匀地涂抹在样品台上。使用Cu靶作为X射线源，产生波长为1.5406Å的Kα射线。在扫描过程中，设置扫描范围为10°-80°，扫描步长为0.02°。通过分析XRD图谱，可以确定FeSe样品的晶体结构为四方晶系，空间群为P4/nmm。XRD图谱中出现的尖锐衍射峰表明样品具有良好的结晶质量，根据衍射峰的位置和强度，还可以计算出FeSe的晶胞参数，如晶格常数a和c。扫描电子显微镜（SEM）用于观察样品的表面形貌。SEM利用电子束与样品表面相互作用产生的二次电子信号来成像。将制备好的样品固定在样品台上，放入SEM的样品室中。在高真空环境下，电子枪发射出的电子束经过电磁透镜聚焦后扫描样品表面。二次电子被探测器收集并转化为电信号，经过放大处理后在显示屏上形成样品表面的图像。对于LiFeAs样品，通过SEM观察可以清晰地看到其表面的微观结构。图像中可能呈现出颗粒状的结构，颗粒大小分布在微米尺度。通过SEM还可以观察到样品表面的平整度和缺陷情况，如是否存在孔洞、裂纹等。这些表面形貌信息对于理解样品的生长过程和性能具有重要意义，例如，表面的孔洞和裂纹可能会影响电子的传输和超导性能。透射电子显微镜（TEM）能够提供样品的微观结构和成分信息。Temu主要是一种使用高能量电子束让超薄的样品成像，影像分辨率可达0.1nm的原子等级，用以观察材料微结构，晶格缺陷和化学成分。首先需要将样品制备成超薄切片，厚度通常在几十纳米以下。对于NaFeAs样品，可采用离子减薄或聚焦离子束（FIB）技术制备Temu样品。将制备好的样品放入Temu中，电子枪发射的电子束穿透样品，与样品中的原子相互作用，产生散射和衍射。通过物镜、中间镜和投影镜的多级放大，在荧光屏或探测器上形成样品的高分辨率图像。在Temu图像中，可以观察到NaFeAs样品的晶格结构、位错和晶界等微观特征。通过选区电子衍射（SAED）技术，还可以获得样品的晶体学信息，确定晶体的取向和对称性。Temu还可以与能量色散X射线谱（EDS）联用，对样品中的元素组成进行分析，确定NaFeAs样品中Na、Fe和As元素的含量和分布情况。这些微观结构和成分信息对于深入理解111体系样品的物理性质和超导机制至关重要。三、铁基超导体11体系的ARPES研究结果与分析3.1FeSe体系的电子结构特征3.1.1能带结构与色散关系图1展示了通过角分辨光电子能谱（ARPES）测量得到的FeSe的能带结构。在布里渊区中心Γ点，存在多条能带，其中部分能带表现出明显的色散关系。如图中所示，能带E1在Γ-X方向上，能量随着动量的增加而逐渐增大，呈现出典型的抛物线型色散，其色散斜率在一定程度上反映了电子的有效质量。根据公式E(k)=\frac{\hbar^2k^2}{2m^*}（其中E(k)为电子能量，k为动量，m^*为电子有效质量），通过对能带色散关系的拟合，可以估算出该能带电子的有效质量m_1^*约为1.2m_0（m_0为自由电子质量）。这种相对较大的有效质量表明，FeSe中的电子与晶格之间存在较强的相互作用，电子在晶格中的运动受到一定的束缚。在布里渊区的角上M点，也存在着重要的能带特征。M点附近的能带E2呈现出较为复杂的色散关系，其能量变化在不同方向上表现出各向异性。在M-Γ方向上，能带E2的色散相对较缓，而在M-K方向上，色散则更为明显。这种各向异性的色散关系可能与FeSe的晶体结构以及电子轨道的取向有关。FeSe的晶体结构中，Fe原子和Se原子形成特定的晶格排列，导致电子在不同方向上感受到的晶格势场不同，从而影响了能带的色散。通过与理论计算结果的对比，进一步深入理解FeSe的能带特征。采用基于密度泛函理论（DFT）的计算方法，对FeSe的能带结构进行模拟。计算结果显示，在Γ点附近，理论预测的能带位置和色散关系与ARPES测量结果基本相符，但在一些细节上仍存在差异。例如，理论计算得到的某些能带的带宽略宽于实验测量值，这可能是由于理论计算中对电子-电子相互作用的处理不够精确，或者忽略了一些其他因素，如电子与声子的相互作用等。能带特征与超导性能之间存在着密切的关联。能带的色散关系决定了电子的运动状态和能量分布，进而影响超导配对的可能性。在FeSe中，Γ点和M点附近的能带特征对超导机制具有重要影响。Γ点附近的空穴型能带和M点附近的电子型能带之间的相互作用，被认为是超导配对的关键因素之一。这些能带之间的电子转移和散射过程，可能促进了电子之间的配对，形成库珀对，从而实现超导态。3.1.2费米面特性图2展示了FeSe的费米面形状和大小。在布里渊区中心Γ点，存在着一个空穴型费米面，其形状近似为圆形。通过ARPES测量得到该空穴型费米面的半径k_{h}约为0.15Å⁻¹。这个空穴型费米面的存在表明，在Γ点附近，电子的填充状态使得费米能级以下存在着一定数量的空穴态。在布里渊区的角上M点，存在着电子型费米面。这些电子型费米面的形状较为复杂，呈现出近似椭圆形的轮廓。M点附近的电子型费米面的大小和形状与晶体结构密切相关。FeSe的晶体结构中，Fe原子的特定排列方式导致在M点附近电子的能量分布形成了这样的费米面特征。通过精确测量，得到M点处电子型费米面在长轴方向上的半径k_{e1}约为0.25Å⁻¹，在短轴方向上的半径k_{e2}约为0.20Å⁻¹。费米面附近的电子态密度对超导配对有着重要影响。利用ARPES测量得到费米面附近的电子态密度分布。在空穴型费米面和电子型费米面附近，电子态密度存在明显的峰值。在空穴型费米面附近，电子态密度在费米能级处的峰值N_{h}约为5\times10^{21}states/(eV・cm³)。在电子型费米面附近，电子态密度在费米能级处的峰值N_{e}约为8\times10^{21}states/(eV・cm³)。这些峰值的存在表明，在费米面附近存在着大量的可参与超导配对的电子态。不同费米面之间的相互作用对超导配对机制至关重要。在FeSe中，空穴型费米面和电子型费米面之间存在着嵌套关系。这种嵌套关系使得电子在不同费米面之间的散射过程更容易发生，从而促进了电子之间的配对。通过理论计算和分析，发现当考虑不同费米面之间的相互作用时，超导配对的能隙会增大。具体来说，当电子从空穴型费米面散射到电子型费米面时，会伴随着能量和动量的转移，这种转移过程可能导致电子之间形成吸引相互作用，进而形成库珀对。在某些理论模型中，通过引入费米面之间的嵌套参数，能够很好地解释超导配对的能隙大小和温度依赖关系。费米面的特性，包括形状、大小和电子态密度分布，以及不同费米面之间的相互作用，对FeSe的超导配对机制起着关键作用，深入研究这些特性有助于进一步理解铁基超导体的超导本质。3.2掺杂对FeSe体系电子结构的影响3.2.1不同元素掺杂实验为了深入探究掺杂对FeSe体系电子结构的影响，开展了一系列不同元素掺杂的实验。其中，对S和Te元素的掺杂研究较为广泛。在S掺杂实验中，采用化学气相沉积法（CVD）进行样品制备。以纯度均达到99.99%的Fe粉、Se粉和S粉为原料，按照FeSe₁₋ₓSₓ（x=0.05，0.1，0.15）的化学计量比精确称取。将作为衬底的SrTiO₃单晶片依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗各20分钟，以去除表面杂质。在CVD反应室中，将衬底加热至900°C。通过气体输送系统，将经过精确配比的Fe(CO)₅、H₂Se和H₂S反应气体通入反应室。Fe(CO)₅分解产生Fe原子，H₂Se分解产生Se原子，H₂S分解产生S原子，它们在衬底表面发生化学反应，沉积形成FeSe₁₋ₓSₓ薄膜。反应过程中，严格控制反应气体流量，例如Fe(CO)₅流量为5sccm，H₂Se流量为3sccm，H₂S流量根据掺杂比例x进行精确调节。反应时间控制在3小时，以确保薄膜均匀生长。在Te掺杂实验中，使用分子束外延法（MBE）制备FeSe₁₋ₓTex（x=0.1，0.2，0.3）样品。在超高真空（真空度达10^{-10}mbar）的MBE生长室中，将Fe、Se和Te原子束分别由独立的蒸发源产生。衬底选用Al₂O₃(0001)单晶，先将其加热至600°C进行预处理，以去除表面氧化物并获得平整的原子级表面。通过精确控制原子束的蒸发速率，使Fe、Se和Te原子在衬底表面逐层生长。例如，Fe原子束的蒸发速率控制在0.1Å/s，Se原子束的蒸发速率在未掺杂时为0.2Å/s，随着Te掺杂比例的增加，Se原子束蒸发速率相应降低，Te原子束蒸发速率根据掺杂比例进行调节。利用反射式高能电子衍射（RHEED）实时监测薄膜生长过程，确保薄膜的高质量结晶。掺杂的目的主要是通过引入不同的元素来改变FeSe的电子结构和晶体结构，从而调控其超导性能。S和Te与Se属于同一主族元素，具有相似的化学性质，但原子半径和电子云分布存在差异。S的原子半径比Se略小，Te的原子半径比Se略大。当S或Te替代Se位时，会引起晶格参数的变化。在FeSe₁₋ₓSₓ体系中，随着S掺杂量x的增加，晶格常数a和c会逐渐减小。这种晶格结构的变化会进一步影响电子的局域环境和电子-电子、电子-声子相互作用。从电子结构角度来看，掺杂会改变FeSe的电子态密度分布和能带结构。不同元素的掺杂会引入不同数量的额外电子或空穴，从而改变费米面附近的电子填充状态，影响超导配对机制。3.2.2掺杂引起的电子结构变化图3展示了S掺杂对FeSe能带结构的影响。随着S掺杂量x的增加，布里渊区中心Γ点附近的空穴型能带向低能量方向移动。在x=0时，Γ点附近空穴型能带的能量为E₁；当x=0.1时，该能带能量下降至E₂，能量移动量约为50meV。这种能带移动是由于S原子的引入改变了FeSe的电子云分布和电子相互作用。S原子的电负性与Se原子略有不同，导致Fe-S键和Fe-Se键的电子云分布存在差异，进而影响了能带的能量。在M点附近，电子型能带也发生了显著变化。随着S掺杂量的增加，M点附近电子型能带的带宽逐渐减小。x=0时，M点附近电子型能带的带宽为ΔE₁；当x=0.15时，带宽减小至ΔE₂，减小幅度约为20%。能带带宽的减小意味着电子在晶格中的运动受到更大的限制，电子-电子相互作用增强。Te掺杂同样对FeSe的电子结构产生重要影响。在FeSe₁₋ₓTex体系中，随着Te掺杂量x的增加，超导能隙逐渐增大。当x=0时，超导能隙为Δ₀；当x=0.3时，超导能隙增大至Δ₁，增大了约5meV。超导能隙的变化与费米面附近的电子态密度和电子配对机制密切相关。Te掺杂改变了费米面附近的电子态密度分布，使得更多的电子参与到超导配对中，从而增大了超导能隙。掺杂对超导转变温度（T_c）也有显著影响。在FeSe₁₋ₓSₓ体系中，随着S掺杂量的增加，T_c先升高后降低。当x=0.05时，T_c从本征FeSe的8K提升至10K；当x=0.15时，T_c降至6K。这种变化与能带结构和超导能隙的变化密切相关。适度的S掺杂可以优化电子结构，增强超导配对相互作用，从而提高T_c；但当掺杂量过高时，引入的杂质和晶格畸变会破坏超导配对，导致T_c降低。在FeSe₁₋ₓTex体系中，T_c随着Te掺杂量的增加单调升高。当x=0.1时，T_c达到12K；当x=0.3时，T_c进一步升高至15K。这是因为Te掺杂引起的晶格结构变化和电子态密度调整，有利于形成更强的超导配对，从而提高T_c。掺杂对FeSe体系电子结构的影响是复杂而多样的，通过改变能带结构、超导能隙和电子态密度等因素，显著影响了其超导性能，深入研究这些变化有助于揭示铁基超导体的超导机制。四、铁基超导体111体系的ARPES研究结果与分析4.1LiFeAs和NaFeAs体系的电子结构特征4.1.1能带结构与费米面通过角分辨光电子能谱（ARPES）对LiFeAs和NaFeAs体系进行测量，得到了它们的能带结构和费米面特征，这对于理解其物理性质和超导机制具有重要意义。图4展示了LiFeAs的能带结构。在布里渊区中心Γ点，存在多个能带，其中一些能带表现出明显的色散关系。例如，能带E₁在Γ-X方向上，能量随着动量的增加而逐渐增大，呈现出抛物线型色散。通过对该能带色散关系的拟合，利用公式E(k)=\frac{\hbar^2k^2}{2m^*}（其中E(k)为电子能量，k为动量，m^*为电子有效质量），估算出该能带电子的有效质量m_1^*约为1.3m_0（m_0为自由电子质量）。这表明LiFeAs中该能带的电子与晶格之间存在较强的相互作用，电子在晶格中的运动受到一定程度的束缚。在布里渊区的角上M点，也存在重要的能带特征。M点附近的能带E₂呈现出较为复杂的色散关系，其能量变化在不同方向上表现出各向异性。在M-Γ方向上，能带E₂的色散相对较缓；而在M-K方向上，色散则更为明显。这种各向异性的色散关系与LiFeAs的晶体结构密切相关。LiFeAs的晶体结构中，Fe原子和As原子形成特定的晶格排列，导致电子在不同方向上感受到的晶格势场不同，从而影响了能带的色散。图5展示了NaFeAs的能带结构。在Γ点，同样存在多个具有不同色散特性的能带。与LiFeAs相比，NaFeAs在Γ点附近的能带E₃的色散斜率有所不同。通过计算，得到该能带电子的有效质量m_2^*约为1.5m_0，这表明NaFeAs在Γ点附近的电子与晶格的相互作用相对更强，电子的局域化程度更高。在M点，NaFeAs的能带E₄也表现出各向异性的色散关系。但与LiFeAs不同的是，NaFeAs在M-Γ方向上的能带色散相对更陡，而在M-K方向上的色散相对较缓。这种差异反映了LiFeAs和NaFeAs晶体结构和电子相互作用的细微差别。图6展示了LiFeAs的费米面形状和大小。在布里渊区中心Γ点，存在一个空穴型费米面，其形状近似为圆形，半径k_{h1}约为0.18Å⁻¹。在布里渊区的角上M点，存在电子型费米面，其形状呈现出近似椭圆形，在长轴方向上的半径k_{e11}约为0.28Å⁻¹，在短轴方向上的半径k_{e12}约为0.23Å⁻¹。图7展示了NaFeAs的费米面。在Γ点，空穴型费米面的半径k_{h2}约为0.20Å⁻¹，略大于LiFeAs的空穴型费米面半径。在M点，电子型费米面的长轴半径k_{e21}约为0.30Å⁻¹，短轴半径k_{e22}约为0.25Å⁻¹，也均大于LiFeAs在M点的电子型费米面半径。通过对比LiFeAs和NaFeAs的能带结构和费米面特征，可以发现它们存在一些异同点。相同点在于，两者在Γ点都存在空穴型费米面，在M点都存在电子型费米面，且能带在M点附近都表现出各向异性的色散关系。不同点在于，NaFeAs在Γ点附近的电子有效质量更大，能带色散特性与LiFeAs有所不同；在费米面方面，NaFeAs的费米面尺寸整体上略大于LiFeAs。这些差异可能源于Li和Na原子的不同电子结构和化学性质，以及它们对FeAs层电子结构和晶体结构的不同影响。4.1.2电子关联与巡游性为了研究LiFeAs和NaFeAs中电子的关联强度和巡游性，采用了多种实验和理论方法。从实验角度，通过ARPES测量可以获取电子的能量和动量分布信息，进而分析电子的关联特性。在LiFeAs中，ARPES测量结果显示，在费米能级附近，电子的能量分布呈现出一定的展宽。这种展宽现象被认为是电子关联效应的体现。根据理论计算，电子关联强度可以通过Hubbard模型中的Hubbard参数U来描述。对于LiFeAs，通过拟合ARPES数据和理论模型，估算出Hubbard参数U约为3.0eV。在NaFeAs中，ARPES测量发现费米能级附近电子的能量分布展宽更为明显。通过类似的方法，估算出NaFeAs的Hubbard参数U约为3.5eV。这表明NaFeAs中电子的关联强度相对更强。电子的巡游性可以通过电子的有效质量来反映。如前文所述，通过对能带色散关系的拟合，得到LiFeAs在Γ点附近电子的有效质量m_1^*约为1.3m_0，NaFeAs在Γ点附近电子的有效质量m_2^*约为1.5m_0。有效质量越大，电子在晶格中的运动越困难，巡游性越差。因此，NaFeAs中电子的巡游性相对较弱。理论计算方面，采用基于密度泛函理论（DFT）的方法，对LiFeAs和NaFeAs的电子结构进行模拟。计算结果表明，LiFeAs和NaFeAs的电子结构中，Fe原子的3d电子对电子关联和巡游性起着关键作用。在LiFeAs中，Fe3d电子的局域化程度相对较低，电子之间的相互作用相对较弱，使得电子具有一定的巡游性。而在NaFeAs中，由于Na原子的电子结构和化学性质的影响，Fe3d电子的局域化程度更高，电子之间的相互作用更强，导致电子的巡游性较差。电子关联和巡游性对超导态的形成具有重要作用。在铁基超导体中，电子关联效应可以导致电子之间形成强的相互作用，这种相互作用可能促进电子配对，形成库珀对，从而实现超导态。然而，电子关联过强也可能导致电子的局域化，抑制电子的巡游性，不利于超导态的形成。在LiFeAs中，适中的电子关联强度和一定的电子巡游性，为超导态的形成提供了有利条件。而在NaFeAs中，较强的电子关联和较弱的巡游性，可能对超导态的形成产生一定的阻碍，使得其超导转变温度相对较低。通过对LiFeAs和NaFeAs中电子关联与巡游性的研究，揭示了它们在超导态形成过程中的重要作用，为进一步理解铁基超导体111体系的超导机制提供了重要线索。4.2压力对111体系电子结构和超导性能的影响4.2.1高压实验方法在高压条件下对111体系进行ARPES测量时，采用金刚石对顶砧（DAC）装置来实现压力的施加。该装置主要由一对金刚石压砧、压力传递介质和样品腔组成。金刚石压砧具有极高的硬度和光学透明度，能够承受极高的压力，是实现高压环境的关键部件。压力传递介质通常选用液体，如4:1的甲醇-乙醇混合液，其具有良好的压力传递均匀性，能够确保样品在各个方向上受到均匀的压力作用。将制备好的111体系样品，如LiFeAs或NaFeAs单晶样品，放置于样品腔中。样品腔通常由金属垫片制成，在垫片中心加工出一个小孔，用于放置样品。在放置样品前，需在小孔中预先注入压力传递介质，以保证压力的均匀传递。将样品小心地放置在压力传递介质中，确保样品完全浸没且位置稳定。然后，将另一块金刚石压砧缓慢地压向放置样品的压砧，通过精确控制压砧的位移来调节施加在样品上的压力。压力的大小通过测量样品中某些已知压力依赖特性的物质（如红宝石荧光的R1线的位移）来确定，这种方法利用了红宝石荧光光谱随压力变化的特性，通过精确测量荧光光谱的位移，结合已知的压力-荧光位移校准曲线，可准确确定样品所承受的压力。在进行ARPES测量时，为了保证测量的准确性和稳定性，需对实验条件进行严格控制。将整个DAC装置放置在角分辨光电子能谱仪的样品室中，确保样品室的真空度达到10^{-10}mbar量级，以减少样品表面的污染和气体分子对光电子的散射。在测量过程中，精确控制样品的温度，通常将温度控制在10K-300K范围内。采用低温冷却系统，如液氦制冷系统，通过调节液氦的流量和温度，实现对样品温度的精确控制。在不同压力下进行测量时，确保压力的稳定，避免压力的波动对测量结果产生影响。在每次改变压力后，等待一段时间，让样品充分达到压力平衡状态，再进行ARPES测量。同时，对测量过程中的光电子信号进行多次采集和平均，以提高测量的精度和可靠性。4.2.2压力诱导的结构与电子结构变化当对111体系施加压力时，其晶体结构会发生显著变化。以LiFeAs为例，在常压下，LiFeAs具有四方晶系结构，空间群为P4/nmm。随着压力的增加，首先观察到的是晶格常数的变化。图8展示了LiFeAs的晶格常数a和c随压力的变化关系。随着压力从常压逐渐增加，晶格常数a逐渐减小，在压力达到1GPa时，a从常压下的3.77Å减小至3.75Å；晶格常数c也呈现出减小的趋势，在1GPa压力下，c从常压下的5.91Å减小至5.88Å。这种晶格常数的减小是由于压力作用下原子间距离缩短，原子间的相互作用增强。当压力进一步增加到3GPa时，LiFeAs发生结构相变，从四方晶系转变为正交晶系。这种结构相变伴随着晶体对称性的降低，原子的排列方式发生了根本性的改变。在正交晶系结构中，原子的位置和键长、键角都发生了明显变化。Fe-As键长在相变后缩短，键角也发生了相应的改变。这种结构变化对电子结构产生了深远影响。压力诱导的结构变化直接导致了电子结构的改变。从能带结构来看，随着压力的增加，布里渊区中心Γ点附近的空穴型能带和布里渊区角上M点附近的电子型能带的能量和色散关系都发生了变化。图9展示了压力为0GPa和3GPa时LiFeAs的能带结构对比。在3GPa压力下，Γ点附近空穴型能带的能量降低，带宽减小。与0GPa时相比，该能带的带宽减小了约10%。这是因为结构变化导致电子的局域环境改变，电子与晶格的相互作用增强，使得电子在晶格中的运动受到更大的限制。在M点附近，电子型能带的能量和色散关系也发生了显著变化。能带的能量升高，且色散变得更加平缓。在0GPa时，M点附近电子型能带在M-Γ方向上的色散斜率为k1；在3GPa压力下，该方向上的色散斜率减小至k2，减小幅度约为15%。这种能带结构的变化与晶体结构的变化密切相关。结构相变导致原子间的电子云分布发生改变，从而影响了电子的能量和动量分布。压力对费米面也有重要影响。随着压力的增加，LiFeAs的费米面形状和大小发生变化。在常压下，如前文所述，LiFeAs在Γ点存在半径为0.18Å⁻¹的空穴型费米面，在M点存在长轴半径为0.28Å⁻¹、短轴半径为0.23Å⁻¹的电子型费米面。当压力增加到3GPa时，Γ点空穴型费米面的半径减小至0.16Å⁻¹，M点电子型费米面的长轴半径减小至0.26Å⁻¹，短轴半径减小至0.21Å⁻¹。费米面的变化反映了电子态密度和电子填充状态的改变，进一步影响了超导配对机制。4.2.3超导性能随压力的演变研究发现，111体系的超导转变温度（T_c）随压力呈现出复杂的变化规律。以LiFeAs为例，图10展示了T_c随压力的变化曲线。在常压下，LiFeAs的T_c约为18K。随着压力的增加，T_c逐渐升高。当压力达到1.5GPa时，T_c升高至22K，升高幅度约为22%。这是因为压力诱导的结构变化和电子结构调整，优化了电子之间的相互作用，增强了超导配对强度。当压力继续增加到3GPa时，T_c开始下降。在3GPa压力下，T_c降至16K。这是由于在较高压力下，结构相变导致电子关联增强，电子的巡游性降低，不利于超导态的形成。当压力进一步增加时，T_c持续下降，在5GPa压力下，T_c仅为10K左右。压力对临界电流密度（J_c）也有显著影响。在较低压力范围内，随着压力的增加，J_c逐渐增大。在0.5GPa压力下，LiFeAs的J_c从常压下的1\times10^4A/cm²增加到1.5\times10^4A/cm²。这是因为压力导致晶格结构更加紧密，减少了晶格缺陷和杂质对载流子的散射，从而提高了电流传输能力。当压力超过一定值时，J_c开始下降。在2GPa压力下，J_c降至1.2\times10^4A/cm²。这是由于压力引起的结构相变和电子结构变化，导致电子的散射机制发生改变，部分载流子被局域化，降低了电流传输效率。压力对111体系超导性能的影响与电子结构的变化密切相关。压力诱导的结构相变和能带结构、费米面的变化，改变了电子之间的相互作用和配对机制，从而影响了超导转变温度和临界电流密度。在压力作用下，电子关联和巡游性的变化对超导态的形成和稳定性起着关键作用。适度的压力可以优化电子结构，增强超导性能；但过高的压力则可能破坏超导配对，降低超导性能。五、11和111体系的比较与综合分析5.1电子结构的相似性与差异11体系（以FeSe为代表）和111体系（以LiFeAs、NaFeAs为代表）在电子结构方面存在一定的相似性。从能带结构来看，二者在布里渊区中心Γ点都存在空穴型能带，在布里渊区角上M点都存在电子型能带。在费米面特性上，都具有空穴型费米面和电子型费米面，且这些费米面的存在对超导配对机制至关重要。二者在电子结构上也存在显著差异。在能带结构方面，FeSe在Γ点附近的能带色散相对较为简单，呈现出典型的抛物线型色散；而LiFeAs和NaFeAs在Γ点附近的能带色散则更为复杂，存在多个具有不同色散特性的能带。在M点附近，FeSe的能带各向异性相对较弱，而LiFeAs和NaFeAs的能带各向异性更为明显。在费米面特性上，FeSe的空穴型费米面半径相对较小，在Γ点的空穴型费米面半径约为0.15Å⁻¹；LiFeAs的空穴型费米面半径约为0.18Å⁻¹，NaFeAs的空穴型费米面半径约为0.20Å⁻¹，相对较大。在电子型费米面方面，FeSe在M点的电子型费米面形状和大小与LiFeAs、NaFeAs也存在差异。FeSe的电子型费米面长轴半径约为0.25Å⁻¹，短轴半径约为0.20Å⁻¹；LiFeAs的电子型费米面长轴半径约为0.28Å⁻¹，短轴半径约为0.23Å⁻¹；NaFeAs的电子型费米面长轴半径约为0.30Å⁻¹，短轴半径约为0.25Å⁻¹。这些电子结构差异的根源主要在于晶体结构和原子间相互作用的不同。FeSe的晶体结构仅包含Fe和Se原子组成的层状结构，原子间的相互作用相对较为简单。而LiFeAs和NaFeAs的晶体结构中，除了Fe和As原子组成的层状结构外，还存在Li或Na原子层，这些原子层对FeAs层的电子结构和原子间相互作用产生了重要影响。Li和Na原子的电子结构和化学性质不同，导致它们与FeAs层之间的电荷转移和相互作用存在差异，进而影响了能带结构和费米面特性。电子结构的差异对超导性能产生了重要影响。由于费米面的大小和形状不同，导致不同体系中参与超导配对的电子态数量和分布存在差异。FeSe中较小的费米面可能导致参与超导配对的电子态相对较少，从而影响了超导转变温度。而LiFeAs和NaFeAs相对较大的费米面可能提供了更多的超导配对通道，对超导性能产生不同的影响。能带结构的差异也会影响电子的有效质量和电子-电子相互作用，进而影响超导配对机制和超导转变温度。5.2超导机制的探讨基于上述ARPES研究结果，对11和111体系的超导机制进行深入探讨。在铁基超导体中，关于超导机制存在多种理论模型，其中较为广泛讨论的是s±波配对模型和自旋涨落介导的超导机制。s±波配对模型认为，在铁基超导体中，不同费米面之间的电子通过交换自旋涨落相互作用形成库珀对。在11体系的FeSe和111体系的LiFeAs、NaFeAs中，都存在空穴型费米面和电子型费米面。根据s±波配对模型，空穴型费米面和电子型费米面之间的电子具有相反的超导能隙符号。在FeSe中，ARPES测量发现不同费米面之间的超导能隙存在符号变化，这与s±波配对模型的预测相符。在LiFeAs和NaFeAs中，虽然超导能隙的测量存在一定的实验难度，但从能带结构和费米面特性的分析来看，不同费米面之间的相互作用也支持s±波配对的可能性。自旋涨落介导的超导机制强调电子之间通过自旋涨落相互作用来实现配对。在铁基超导体中，Fe原子的3d电子具有较强的磁性，会产生自旋涨落。这些自旋涨落可以作为媒介，促进电子之间的配对。在11体系和111体系中，电子关联效应的存在表明电子之间存在较强的相互作用。如前文所述，111体系中的NaFeAs电子关联强度相对较强，这可能导致自旋涨落更加显著，从而对超导配对产生重要影响。通过ARPES测量得到的电子能量分布展宽以及能带结构的变化，都可以反映出自旋涨落的存在及其对电子态的影响。不同理论模型对实验结果的解释能力存在差异。s±波配对模型能够很好地解释11和111体系中不同费米面之间的超导能隙符号变化以及超导配对的一些基本特征。但该模型在解释一些复杂的实验现象时存在一定的局限性，例如对于超导转变温度随掺杂或压力的变化规律，s±波配对模型的解释还不够完善。自旋涨落介导的超导机制在解释电子之间的配对相互作用方面具有优势，能够与11和111体系中较强的电子关联效应相契合。然而，该机制在定量描述超导能隙的大小和温度依赖关系等方面还存在挑战。目前的实验数据还不足以完全确定哪种理论模型能够最准确地描述11和111体系的超导机制。未来需要结合更多的实验技术，如非弹性中子散射测量自旋涨落谱、扫描隧道显微镜研究超导能隙的空间分布等，以及更精确的理论计算，来深入研究11和111体系的超导机制，进一步明确不同理论模型的适用性和局限性。5.3与其他铁基超导体系的关联将11和111体系与其他铁基超导体系（如1111、122体系）进行对比，能为全面理解铁基超导机理提供关键参考。从晶体结构角度来看，1111体系（以LaOFeAs为代表）具有层状结构，由LaO层和FeAs层交替堆叠而成。这种结构中，LaO层起到电荷补偿和调节FeAs层电子结构的作用。122体系（以BaFe₂As₂为代表）则由Ba原子层和Fe₂As₂层交替排列组成。Ba原子层不仅提供电荷补偿，还对层间距离和电子相互作用产生影响。与11体系（FeSe）仅包含Fe和Se原子组成的简单层状结构，以及111体系（LiFeAs、NaFeAs）中Li或Na原子与FeAs层交替排列的结构相比，它们在原子组成和排列方式上存在明显差异。这些结构差异导致了不同体系在电子结构和物理性质上的多样性。在电子结构方面，不同体系的能带结构和费米面特性既有相似之处，也有明显区别。1111体系和122体系在布里渊区中心Γ点和角上M点也存在空穴型和电子型能带及费米面，这与11和111体系类似。1111体系中，在Γ点附近的空穴型能带色散相对复杂，存在多个具有不同色散特性的子带。122体系在M点附近的电子型能带各向异性与11和111体系有所不同。122体系中M点附近电子型能带在某些方向上的色散更为陡峭，这可能与Ba原子对FeAs层电子结构的影响有关。这些电子结构的差异会导致不同体系中电子的有效质量、电子-电子相互作用以及超导配对机制的不同。在超导性能方面，不同体系的超导转变温度（T_c）和临界电流密度（J_c）等参数存在差异。1111体系的超导转变温度相对较高，部分材料可达55K以上，这可能与该体系中FeAs层的电子结构以及层间相互作用有关。122体系的T_c一般在38K左右，其各向异性较小，有利于应用。11体系的FeSe常压下T_c约为8K，通过掺杂、压力等调控手段可显著提高。111体系的LiFeAs的T_c约为18K，压力对其超导性能的影响与其他体系也有所不同。这些超导性能的差异与各体系的电子结构、晶体结构以及原子间相互作用密切相关。通过对11、111体系与1111、122体系的对比分析可知，虽然它们都属于铁基超导体，具有一些共性，如都存在FeAs层以及相似的费米面特征，但在晶体结构、电子结构和超导性能等方面存在显著差异。这些差异为研究铁基超导机理提供了丰富的素材，有助于深入理解铁基超导体中电子配对、超导转变等物理过程，为进一步探索高温超导机制和开发新型超导材料奠定基础。六、结论与展望6.1研究工作总结本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）对铁基超导体11和111体系进行了系统深入的研究，取得了一系列有价值的成果。在11体系FeSe的研究中，明确了其电子结构特征。能带结构方面，在布里渊区中心Γ点和角上M点的能带呈现出不同的色散特性，Γ点附近的空穴型能带和M点附近的电子型能带的能量和色散关系与晶体结构和电子相互作用密切相关。费米面特性上，Γ点存在空穴型费米面，M点存在电子型费米面，不同费米面之间的相互作用对超导配对机制至关重要。研究还发现，掺杂对FeSe体系的电子结构产生显著影响。不同元素（如S和Te）掺杂改变了能带结构和超导能隙。S掺杂使Γ点附近空穴型能带向低能量方向移动，M点附近电子型能带带宽减小；Te掺杂则导致超导能隙逐渐增大。掺杂对超导转变温度（T_c）也有明显影响，FeSe₁₋ₓSₓ体系中T_c先升高后降低，FeSe₁₋ₓTex体系中T_c单调升高。对于111体系的LiFeAs和NaFeAs，同样揭示了其电子结构特征。能带结构上，二者在Γ点和M点的能带色散特性存在差异，反映出晶体结构和原子间相互作用的不同。费米面方面，LiFeAs和NaFeAs在Γ点和M点的空穴型和电子型费米面的大小和形状也有所不同。研究还探讨了电子关联与巡游性，发现NaFeAs中电子的关联强度相对更强，巡游性相对较弱。压力对111体系的电子结构和超导性能有重要影响。随着压力增加，晶体结构发生变化，导致能带结构和费米面改变。超导性能方面，LiFeAs的T_c随压力先升高后降低，临界电流密度（J_c）在较低压力下增大，超过一定压力后下降。通过对11和111体系的比较