Fe3GeTe2、CsBi4Te6的高压输运性质以及MAPbI3、VO2薄膜的变温介电性质研究

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高压科学技术是凝聚态物理研究的重要组成部分。随着近年来金刚石对顶砧技术的不断改进,稳态高压记录的不断突破,高压研究领域获得了突飞猛进的发展。高压可以有效地压缩材料的晶格,改变材料的电子能带结构,使材料的结构,输运,磁性等等重要的特性发生改变。研究材料在高压下物性的变化,不仅可以深入理解材料的本质,更可能探索全新的物理现象。近年来高压下金属氢的探索,高压下富氢体系中破纪录的高温超导,高压下铁基超导体中显著增强的超导临界温度等等令人激动的成果,都激励着研究者去探寻高压下丰富新奇的物理。高压已经不单单是一个极端条件,而是已经成为一个新的维度。基于此,在本文的第一部分,我们研究高压下材料的结构和电输运特性,两个研究内容分别为高压调控Fe3GeTe2的反常霍尔效应和高压诱导CsBi4Te6的非常规超导。薄膜技术在现代科学技术和工业领域有着重要的应用,而薄膜技术的发展离不开对薄膜光学常数的研究,椭圆偏振光谱法是获取薄膜精确光学常数的重要手段。通过变温椭偏光谱研究,可以获得薄膜随温度变化的光学常数,对薄膜实现工业应用具有重要的参考价值。基于此,在本文的第二部分,我们研究了薄膜的变温椭偏光谱,两个研究内容分别为椭偏光谱法原位检测CH3NH3PbI3(MAPbI3)薄膜的热分解和椭偏光谱法研究VO2薄膜的带间跃迁能量。本文共分为六章,主要内容如下:第一章,简单介绍了高压科学技术的发展,主要实验手段和研究现状,以及椭偏光谱技术的研究现状和主要测量原理。第二章,系统研究了高压对层状铁磁材料Fe3GeTe2的结构和电输运特性的影响。Fe3GeTe2的晶体结构在25.9 GPa下保持六方相不变,同时居里温度随压力增加单调减小。通过施加合适的压力,实验测量的反常霍尔电导σxyA可以被有效调控。我们的理论计算表明这是由于自旋轨道耦合劈裂的Fe原子能带的位移。随着加压,当费米能级位于劈裂能带之间时,σxAy首先达到极大值,之后由于劈裂能带远离费米能级而减小。继续加压导致Fe的磁矩减小,σxyA进一步减小到零。这些结果表明压力是调控反常霍尔效应的有效手段,有利于阐明大的内禀反常霍尔效应的物理机制。第三章,研究了压力诱导窄带隙半导体CsBi4Te6的非常规超导特性。随着加压,体系经历了两个结构相变,最终相变为一个三元无序的体心立方结构,空间群为Im-3m,并且伴随着中心反演对称性的破缺。超导出现在11.5 GPa,临界温度为2.5 K。随着加压,临界温度在27.4 GPa达到极大值7.8 K。随后以-0.07 K/GPa的速率减小。实验中明显观测到的两段超导的特性,表明在整个压力区间都有两个超导态的共存(SC-Ⅰ和SC-Ⅱ)。通过分析上临界场,我们发现SC-Ⅰ表现出典型的s波自旋单重态超导特性,而SC-Ⅱ表现出p波自旋三重态超导的特性。第四章,通过原位椭偏光谱技术检测MAPbI3薄膜的热分解过程。通过等效介质近似模型拟合椭偏光谱,获得了制备的MAPbI3薄膜在热分解过程中介电函数的动态演化过程以及PbI2和MAPbI3的相对含量变化。同时发现薄膜的厚度分两段减小,分别对应热分解和熔融重结晶过程。第五章,通过椭偏光谱技术测量了不同衬底上不同厚度的VO2薄膜随温度变化的光学函数。通过标准临界点模型拟合,获得了VO2在金属绝缘体相变前后的精确带间跃迁能量。通过引入精细轨道结构到能带模型中,对每一个临界点指认了相应的能带跃迁。理论预测的从O2p到上a1g能带的4.7 eV的临界点第一次获得实验上的观测。同时金属绝缘体相变温度也可以通过改变薄膜厚度和衬底进行调控。第六章,对本文研究内容进行了总结。
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