超导材料科学及应用中的基础问题研究课题开题报告.doc

1、 超导材料科学及应用中的 基础问题研究课题开题报告 项目名称： 超导材料科学及应用中的基础问题研究 首席科学家： 中国科学院物理研究所 依托部门： 中国科学院 一、研究内容 从总体上说本项目包括三个相互联系、相互推动的方面： （ 1） 超导基础材料科学和物理问题研究：包括 新型超导材料探索和表征，超导重大科学前沿问题和限制应用的关键科学问题研究，如非常规超导机理，磁通钉扎和磁通动力学问题； （ 2） 实用超导材料基础科学问题：如钇钡铜氧涂层导体和二硼化镁超导体应用中的基础问题研究； （ 3） 超导 结型器件的物理、工艺以及在应用中的基础问题研究 。 新超导材料探索是 基础 ，寻找到任何有重要科

2、学意义或重要实用价值的新型超导材料都将大大促进超导科学技术的发展，为国家争得荣誉。而 超导重大科学前沿问题和限制应用的关键科学问题研究是 根本 。因为超导基础研究无非有两个根本的目标：要么在基础科学方面有重大发现，促进科学本身的发展，要么解决限制应用的关键科学问题，促进应用的发展。只有根本问题解决了，才能谈到很好的应用。举例来说，上个世纪 50 年代创立的描述 II 类超导体的理论，即Ginzburg Landau 理论（ 2003 年获 得诺贝尔物理学奖）很好地描述了 II 类超导体的电磁场行为，人们根据这个理论预言了磁通线，混合态等重要概念，然后从实验上验证了它们的存在。在此基础上，人们制

3、备出强磁场的超导磁体，进一步发展出高清晰度的核磁成像，超导托卡马克，高能加速器等等。如果没有Ginzburg Landau 理论从根本上认识到 II 类超导体的电磁规律，制备出强磁场超导磁体是不可想象的。因此第一个方向的课题极有可能获得重大原创性的成果。第一方向课题之间存在非常强的相互关联性。如发现科学上具有重要意义的超导体，往往会促进超导机理的认识。反过来，超导 机理的新认识会促进寻找新型超导体。比如在竞争序超导体中，当竞争序被压制掉以后，超导温度会有所提高。人们可以根据这个特点去寻找新型的超导体。后两个方向是开展本项目研究的最终 目的， 即要解决我国重大战略需求中的一些重要问题。为了解决我

4、国未来能源（液氮温度储能，变电和输电等）和交通中（磁悬浮车）的突出问题， 在众多的超导应用材料中，我们选择两个对未来应用普遍看好的核心材料，即钇钡铜氧涂层导体（所谓第二代超导带材）和二硼化镁超导体中的关键科学问题进行研究，促进它们尽早产业化。另外，为了解决我国在未来先进医疗技术（ SQUID 心磁仪，新型 MRI 技术）和国防上（ SQUID 探潜等）的需求，我们将开展超导结的材料和物理问题研究，同时为具有前瞻性的应用项目做好基础科学方面的准备。 要解决的关键科学问题包括： 1. 努力寻找到科学上有重要意义和（或）有重要实用价值的超导体。基于这些新材料，在结构表征和物理研究方面率先做出有重要影

5、响的工作。 2. 在高温超导机理解决的过程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正确的模型和物理图象直至解决高温超导机理问题；在非常规竞争序超导体的机理方面有重要进展，并找出规律，给探索新型超导体提供指导。 3. 提高实用超导 体的临界电流、磁通钉扎能力和不可逆磁场；理解复杂涡旋系统和尺寸受限超导体的磁通运动和相变规律。 4. 弄清楚实用二硼化镁超导体和钇钡铜氧涂层导体成相和制备方法，提高钉扎和临界磁场，促进应用发展。 5. 制备出亚微米尺寸的高性能超导结器件； 明确超导结器件电磁和高频特性以及配对、耦合和噪声等 物理机理； 深入理解超导结器件的 消相干机理 和高温超导等离子体振荡的 基本 规

6、律；探索新型超导结器件及其在各前沿 领域中的实用方案。 因此 本项目以新超导材料探索为基础，以对超导重大科学问题和限制应用的关键问题的理解为根本，以解决应用中关键科学问 题为目的，本着有所为，有所不为的精神，认真选择课题并精心组织队伍开展研究。 具体每个方向的研究内容如下： I.超导基础材料科学和物理问题研究 （设三个课题） I-1：新型超导材料探索与表征 （ 1） 掺杂 Mott 绝缘体中的超导电性； （ 2） 新型含轻元素超导体的探索 ； （ 3） 有机超导体探索； （ 4） 激子超导体的探索。 该课题的目标或要解决的关键科学问题是希望通过未来 5 年的努力，能够寻找到科学上有重要意义和（

7、或）有重要实用价值的超导体。并且基于这些新材料，在结构表征和物理研究方面率先作出有重要影响的工作。 I-2：非常规超导机理研 究 （ 1） 高温超导体电子态相图和超导配对对称性随掺杂浓度的变化； （ 2） 赝能隙的本质及其与超导的关系； （ 3） 高温超导体的临界涨落特性研究； （ 4） 竞争序超导电性研究 。 该课题的目标或要解决的关键科学问题是在高温超导机理解决的过程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正确的模型和物理图象；在非常规竞争序超导体的机理方面有重要进展，并尽可能找出规律，给探索新型超导体提供指导。 I-3：实用超导体的临界电流问题和磁通动力学研究 物理和化学方法增强临界电流密

8、度和磁通钉扎能力； （ 2） Josephson 涡旋动力学以及饼涡旋的相互作用； （ 3） 高温超导体不可逆磁场和磁通系统相变 ； （ 4） 受限系统的量子磁通态 。 本课题的目标及要解决的重大科学问题是：努力提高实用超导体的临界电流、磁通钉扎能力和不可逆磁场；研究复杂涡旋系统和尺寸受限超导体磁通态的相变规律等等。 II.实用超导材料的基础科学问题 （设二个课题） II-1：新型实用超导材料 二硼化镁有关基础科学问题 研究 （ 1） 二硼化镁及其元素掺杂体系成相机理及相关物理化学特性研究； （ 2） MgB2超导薄膜及厚膜的物理化学气相沉积（ HPCVD）制备技术基础研究； （ 3） 二硼化

9、镁超导材料临界磁场和 有效提高磁通钉扎手段的物理 本质； （ 4） 实用化二硼化镁超导线带材成材技术基础问题 ； （ 5） 二硼化镁超导线带材应力应变特性及磁体制备相关电磁物理基础。 II 2： 新型实用超导材料 钇钡铜氧涂层导体基础科学问题研究 （ 1） Ni 合金及立方织构 Ni、 Ni 基合金基带的制备与表征 ； （ 2） 种子层、隔离层、帽子层的选择以及制备技术的制备与表征 ； （ 3） 超导层的制备和微结构研究 ； （ 4） 涂层导体的相关超导电性的研究 。 科学目标：解决在柔性金属基带上制备高临界电流密度的钇钡铜氧带材的一系列基础科学问题 III超导结型器件的物理、工艺以及应用基础

10、研究（设二个课题） III-1： 超导结型器件的物理、工艺 及应用 研究 （ 1）超导结的物理和工艺研究 超导结的结构和量子噪声物理；超导结的 电磁输运和高频性质； 超导结阵中的等离子体振荡及其应用；超导结器件的 制备 工艺开发；新的超导结物理和 器件；新的超导量子比特的探索；超导结的性能和消相干的关系；超导量子比特与测量系统的可控耦合方式。 （ 2）超导结器件在电子学方面的应用 超导结器件在 射电天文、环境监测等领域中高灵敏 电磁波 检测器等应用： 检测器包括 非热型宽带超导隧道结 (STJ)检测器；宽带热电子测热辐射计 (HEB)；量子极限 灵敏度 外差式混频接收器等。 超导结器件在 经济

11、、国防建设中的安全保密等领域将起 重要作用的 信息技术 方面的应用： 包括 实用超导量子比特的探索；超导结的性能和消相干的关系 等。 超导结器件在 生命科学、医疗保健等领域中太赫兹成像的应用： 主要是利用超导器件中的高速磁通流，等离子体振荡和约瑟夫逊效应等产生和接收太赫兹信号等。 III-2： 超导介观系统量子现象及应用基础研究 （ 1）介观超导体中的超导量子现象的基本问题，器件物理和新的应用探索，包括亚微米尺度的高温超导本征结，亚微米介观 Nb 结和构成的 SQUID 中的物理性质，尤其是宏观量子现象的研究；具有 1/2 磁通自发激化的 环的物理性质研究；基于新型 MgB2超导体的 SQUI

12、D 器件的研究。 （ 2）开展超导 SQUID 器件在磁成像方面的研究，包括心磁和其它磁成像研究中的关键问题； SQUID 器件在 NMR 和 MRI 中的应用研究。 二、预期目标 本项目的总体目标是在新型超导材料探索和重大科学问题研究上力争突破，做出重要原始创新性的成果，促进科学的发展，为国家争得荣誉；在超导材料科学及应用基础研究的主要方面，继续保持在世界前列；同时为我国超导高技术产业化解决基础科学问题；培养扎根国内并具有国际水准的 优秀 学术带头人，培 养优秀的研究生 、 博士生和博士后并充实到超导研究队伍中；促进建立我国 基础材料和物理研究，实用超导材料的科学评估，超导薄膜和器件工艺研究

13、平台。总目标包括以下几个方面： 1 努力 寻找到科学上有重要意义和（或）有重要实用价值的超导体，为国家争得荣誉。争取寻找到 1 5 种新型超导体，并且基于这些新材料，在结构表征和物理研究方面率先做出有重要影响的工作。在新材料方面以专利的形式保护知识产权。 2 在高温超导机理解决的过程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正确的模型和物理图象，直至解决高温超导机理问题；在非常规竞争序超导体的机理方面有重要进展，并找出规律，给探索新型超导体提供指导。同时建立有自己特色的先进的实验手段，能够从微观和电子态能谱上面直接获得信息。 3 提高实用超导体的临界电流、磁通钉扎能力和不可逆磁场；理解复杂涡旋系统

14、和尺寸受限超导体的磁通运动和相变规律。把这些成果实用到应用课题上，解决实用中的关键技术问题。 4 弄清楚实用二硼化镁超导体和钇钡铜氧涂层导体成相和制备方法，提高临界电流和临界磁场，与相关的 863 应用项目配套，促进应用发展。使二硼化镁超导线材在 20K 下其临界磁场达到 3 T 以上，临界电流密度达到 105A/cm2;钇钡铜氧涂层导体短样临界电流密度达到 2106A/cm2以上。 5 以超导本征结和超导介观体系宏观量子 现 象为基础，开展超导电子学的研究。深入研究超导结的工艺和物理，以此为基础开展 SQUID 器件的应用基础研究，使得器件应用的水平有所提高， 实现利用 SQUID 器件进行

15、超低场 NMR 和 MRI探测的研究，完成二维成像的原理研究。 使我国在超导电子技术、电磁波检测技术、 太赫兹成像 技术、 信息 技术等国际前沿领域占有一席之地。 最后以高水平学术论文扩大影响，以专利形式保护知识产权。争取申请专利 20 25 项，发表学术论文 450 篇以上。 三、研究方案 本项目包括三个主要研究方向，共七个课题。这三个方向涵盖了从材料基础到前沿科学，到应用基础问题的研究内容，它们相互关联和推动。下面分别叙述每个方向上课题开展的主要 技术途径、与国内外同类研究相比的创新点与特色、取得重大突破的可行性分析。 I：基础超导材料和物理问题研究 包括新型超导材料探索和表征，超导重大科

16、学前沿问题和限制应用的关键科学问题研究，如非常规超导机理，磁通钉扎和磁通动力学问题在此方向上，我们要强调原创性的发现和结果，比如要推动发现全新型超导体的探索，或解决重大科学前沿问题。这本 身就具有很大的创新性。我们要在掺杂 Mott 绝缘体、新型轻元素体系、有机高分子材料以及一些激子系统中进行新超导体的探索。掺杂莫特绝缘体中由于电子之间的相互作用很强，电子的巡游性较差，能带宽度与关联能可比拟，掺杂后所形成的金属相也不能用描述通常金属的费米液体模型来描述。在这个金属相中往往伴随着出人意料的奇异特性，如高温超导，巨磁电阻等等。另外，超导完全可能在很多轻元素材料中被发现。原因是这些轻元素材料，往往德

17、拜温度很高，如果费米面有一定的高电子态密度，就可能出现高温超导现象。二硼化镁就是这方面一个典型的例子。 在很多有机材料中，电子具有巡游特性，因此有电导出现，在有些情况下会出现超导电性，而且其超导未必是通过声子媒介起作用的。目前有机超导体的温度已达 10 K 以上。很多学者认为，如果实现激子机制超导电性，那么超导临界温度 Tc 将会大幅度提高。但是到目前为止还没有一个激子型超导体问世。现代的微加工技术和薄膜制备技术为进行激子超导体探索提供了契机。在测量技术上可以利用精密磁测量技术先发现超导体抗磁信号，然后利用电输运测量技术来确认新的超导电性。任何具有新的物理意义或实用价值的超导体的发现都属于重大

18、原创性的工作。 在非常规 超导机制方面，我们要抓住氧化物高温超导机理研究这个核心，开展工作，然后向具有竞争序的超导体和其他新型配对对称性的超导体方面拓展研究范围。 在实验方面，系统地制备高质量的高温超导体、钴酸钠超导体和一些密度波超导体样品，供机理研究之用；用比热、热导和微波等手段研究的低能电子激发行为；用红外和电子拉曼等光学手段研究电子的动力学性质；用角分辨光电子光谱手段研究准粒子能谱；用 STM 等隧道谱测量手段得到在不同条件下准粒子态在实空间和能量轴上的分布；利用类似手段研究若干其它非常规超导体的相图和物理性质；对各方面的实验结果进 行由点到面的理论分析，揭示竞争序在不同体系超导体中的特

19、征性及异同。紧紧抓住非常规超导体的一个普遍特征 竞争序这根主线去研究非常规超导机理是具有创新的想法，因为这样不同系统所表现出来的信息可以融会贯通，相互借鉴。 在实用超导体的临界电流和磁通动力学研究方面，要 注重通过外界环境以及材料设计调控高温超导材料中磁通物质的宏观量子态，研究其磁通动力学行为，探讨提高临界电流密度的新途径。基于新型的超导 /纳米材料的合成与组装技术及其微结构与性能的表征技术，探讨有限尺寸与超导电性的关系，研究受限体系的磁通动力学问题。化学 方法或熔融织构法调控晶界的行为，改善弱连接，提高临界电流密度。研究手段上可以利用电输运，磁弛豫和动力学磁弛豫技术加以研究。另外要借助于新兴

20、的一些微观测量技术，如 Hall 探头阵列技术和精密磁光技术研究磁通动力学问题。除此之外，高精度的 STM 技术可以用来研究介观超导体的磁通态量子化。 II：实用超导材料基础科学问题：二硼化镁超导体和钇钡铜氧涂层导体应用中的基础问题研究 基于对二硼化镁基本问题研究，技术上以粉末套管（ PIT）技术为总体技术框架，开发以下关键技术并解决相关基础科学问题。开发物理化学气相沉积（ HPCVD）方法制备 MgB2超导厚膜及薄膜技术；开发 HPCVD 方法生长长线（带）的技术； HPCVD 和激光沉积方法生长高度织构、有较完善超导性能的 MgB2薄膜；制备 MgB2薄膜的微桥结和其它类型的超导结，发展相

21、应的 MgB2超导结的物理模型。最后在磁体技术基础方面，注意应力应变特性和磁体稳定性及相关电磁特性。在 MgB2 磁体的设计和制造方面，目前国际上有关磁体制备基础的结果几乎没有报道，相关磁体制备工作主要目的还是为了判断二硼化镁磁体制备的可行性，而磁体制备基础工作是非常关键的，所以我们拟开展包括应力应变、线带材的热磁稳定性、超导接头的制备及性能等研究工作，获得磁体制备的关键基础参数。本项研究当中，利用复合铁铜管作为包套材料，是一个创新，一方面可以减少包套材料对超导电性的破坏，另外，可以降低包套材料的磁性，以此会对将来的磁体制作带来方便。 在钇钡铜氧涂层导体方面开展（ 1） Ni 合金及立方织构

22、Ni、 Ni 基合金基带的研究。（ 2）种子层、阻挡层、帽子层的选择以及制备技术的研究。采用磁控溅射、蒸发、激光沉积、化学方法以及 IBAD 多种手段制备中间层。研究薄膜的外延生长机理，寻找高速低成本制备高质量中间层的手段。（ 3）超导层的制备技 术研究。超导层的研究主要采用三种方法：蒸发、激光和化学方法。（ 4）涂层导体的相关超导电性的研究。对涂层导体的磁通钉扎、交流损耗等各种超导电性能指标进行测试分析，了解各种微结构因素对涂层导体性能的影响。在制备过程中添加化学夹杂，提高钉扎中心的密度，并进一步提高临界电流密度。 III：超导结型器件的物理、工艺以及应用基础问题研究 超导结器件的物理和制备

23、工艺方面， 通过观察和分析器件的温度特性，高频响应特性，量子振荡和噪声特性等，从理论和实验角度，研究 超导 材料和器件的配对、耦合和噪声等物性，探索 超导结器件 在前沿 领域中的应用。具体方案如下： (1)超导结特性和结物理的研究 在已有的超低温、超高频等极限测试环境中，利用长期积累的低温和超低噪声测试的经验，包括超导量子干涉器件和低温低噪声放大器以及无源电容电感共振回路等低噪声测试手段，测量 超导结器件 的直流及交流电流 电压特性以及温度变化规律，与尺寸有关的电磁特性和噪声特性等。在已有的等离子体振荡理论研究 基础上， 采用实验和数值计算相结合的方法，深入研究高性能的 高温 超导结阵中 等离

24、子体振荡频率与 隧道 结数目、耦合强度等定量关系，确立 等离子体振荡的变化规律；利用已有的从微波到远红 外波段的各种信号源和微波技术、准光技术等，在建立结阵作为电磁波振荡源与外电路的耦合方式的基础上，研究电磁波在结阵中的传播和等离子体振荡与外加电磁辐照的相互作用等。通过测量结阵在外加直流磁场中的行为，包括磁通流台阶、正常态电阻和等离子体振荡频率等参数的磁场依从性，结合数值理论分析方法，研究高温超导体内非线性动力学和磁通动力学性质等基础理论问题。 (2)制备工艺的基础研究 在理论计算、模型设计的前提下以及自行开发的低能离子刻蚀法和双面制备法等创新工艺的基础上，利用已有的脉冲激光、溅射、蒸发等成熟

25、的成膜方法和光刻 、电子束曝光刻蚀、（聚焦）离子束刻蚀等微加工手段，通过原位刻蚀和实时检测等有效的方法，制备高质量的薄膜材料以及微米和亚微米级的超导结器件，特别是 高性能的 单个结和大量 性能一致的结所构成的均匀结阵 。 细致研究由于制备技术的不精确所造成的结和结阵特性的不均匀性以及 制备工艺各个环节（设计、薄膜生长、图形成型、电极成型）的各种重要参数对结器件性能的影响 ，通过理论与实验两方面的评估 ， 寻找最佳的 制备工艺，提高结器件性能的一致性、重复性，有效地提高结器件的成品率 。 (3)新型超导结器件和应用的探索 在已有的超导薄膜外延生长及 微加工技术的基础上，通过研究原位氧化或等离子处理对超导薄膜界面的影响等，进一步理解和掌握超导薄膜与氧化物势垒层、绝缘层之间的外延异质生长工艺和掺杂效应，设计和制备新的薄膜型超导结