1、项目名称： 高温超导材料与物理研究首席科学家： 闻海虎 中国科学院物理研究所起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 中国科学院二、预期目标本项目的总体目标： 本项目的总体目标是在新型超导材料探索和非常规超导机理研究上力争突破，做出重要原始创新性的成果，促进学科的发展；提高实用超导材料的临界电流和临界磁场，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；培养优秀的，扎根国内并具有国际水准的学术带头人，培养优秀的研究生，博士生和博士后。五年预期目标具体包括以下几个方面：1探索新的高温超导材料，寻找新的合成工艺，以期得到转变温度更
2、高， 临界电流更大，应用性能更好的高温超导材料。争取探索合成出 15 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。2利用多种有特色的研究手段，深入研究非常规超导体超导态的低能激发，正常态的非费米液体行为，关注量子临界相变，在非常规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；在反铁磁背景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 时完善并使用有自己特色的先进的实验手段，能够从微观层面直接获得信息。3提高以 MgB2 和 Bi-2212 为代表的实用超导材料的临界电流、
3、磁通钉扎能力和不可逆磁场，解决实用中的关键技术问题。重点关注实用二硼化镁超导线带材及薄膜，揭示 MgB2 及其元素掺杂体系中依次出现各种亚稳相的相变机制等，为提高二硼化镁超导材料性能和寻找新元素掺杂体系提供理论和实验依据。使二硼化镁超导线材在 20K 下其临界磁场达到 5T 以上，临界电流密度达到 105A/cm2。并使得 1000 米级的导线临界电流密度在 20K，2 T 达到105A/cm2，为研制 MgB2 高 场超导磁体的 MRI 系统 奠定基础。开展 Bi2212 线材制备研究，解决普通熔化处理和磁场熔化处理工艺导致的不同芯丝之间和芯丝不同区域的织构差异问题，扩展 Bi2212 材料
4、的高织构区域，为 PIT 法制备高度织构化和良好晶粒连接性的 Bi2212 带材奠定技术和理论基础。开展2212 高场磁体设计计算工作，为内插磁体的制备奠定基础。4开展铁基超导材料实用化基础研究，搞清铁基超导体的弱连接物理特性，建立新型铁基超导线带材制备和超导性能控制机理及性能表征的理论和技术体系，努力提高铁基超导材料的超导临界参数，掌握高性能铁基超导线带材制备的关键技术和方法。使铁基超导线材在 4.2 K 下其临界磁场达到 100T 以上，临界电流密度达到 105A/cm2；并使得 10 米级导线的超导电流达到 100A。探索利用后砷化处理的方法来制备铁砷超导材料的薄膜和厚膜。5理解 YBC
5、O 涂层导体中超导层厚、微 结构与超 导电性之间的关联性， 认识其中的材料科学和物理机制问题；建立具有周期性异质相薄膜掺入的特殊超导层结构，探索出一条抑制超导厚度效应的有效途径；在厚化的 YBCO 涂层导体超导载流能力方面实现突破，液氮温度单位厘米宽的超导临界电流达到500-1000A/cm-w；同时提高 YBCO 涂层导体厚膜磁 场下的载流能力，液氮温度 5T 磁场中临界电流密度达到 2x104A/cm2(77K, 5T)。6制备出优质的超导材料超薄膜，MgB 2 薄膜厚度在 10 纳米内，T c 大于 30K；其它材料的单晶薄膜超导转变温度宽度小于 0.1 K，正常态表面电阻率小于 0.1
6、 m.cm，临界电流密度大于 106A/cm2；实现并优化基于超导/绝缘/ 超导多层结构的亚微米尺度或纳米尺度超导结，结面积在小于 1m2，临界电流密度在100-2000A/cm2，实现结参数的基本可控；适于高频应用单晶隧道结的临界电流密度大于 30 kA/cm2，漏电流低于 0.1nA，努力制备出铁基超导体 Fe1111 相本征结构的隧道结和 Fe122 相平面隧道结。7超导队伍和平台建设，稳定和发展超导基础研究队伍。培养优秀的中青年学术带头人，并创造条件，吸引优秀的年轻超导人才回国效力，争取 5 年内，从本项目中产生 3 名以上杰出学术带头人（基金委杰出青年，中科院百人计划和教育部的“ 长
7、江教授” ），培养博士 40 人以上。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平台。从 组织结构上推动我国超导研究的发展。三、研究方案（一）学术思路如前所述，本项目包括两个互相承接，相互促 进的重要研究方向，共设 6 个课题。这 两个方向涵盖了从超导材料基础研究到应用基础问题研究的内容，它们相互关联和推动。我们将以新材料探索为先导， 结合 现有超导材料的合成和优化，理解超导机理和磁通运动的物理，并在此基 础上努力提高本项目所针对的高温超导体的临界电流和临界磁场。在超导材料基础研究方向上，我们要强调原创性的发现和结果。我们要在过渡金属化合物，掺杂 Mott
8、 绝缘体、自旋阻挫材料和新型 轻元素体系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 电阻和轨道序等等。另外，超导完全可能通过交换反铁磁涨落而获得。在这 些非常规超导机理的研究过程中，我们重点关注配 对对称性的奇异性，一般来说，通 过电子电子相互作用而形成的配对，往往其超 导序参量会出现符号的变化。在 单带情况下，也就是说有能隙节点。因此我们以探测能隙节点为主要研究方向，在非常规超导机理研究找到了重要核心，
9、定会在机理研究上面有重大突破。超导也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。在非常规超导材料和机制方面，我们要抓住氧化物高温超导和铁基超导机理研究这个核心，开展研究工作，然后向具有反铁磁竞争序的其它超导体和其它新型配对对称性的超导体方面拓展研究范围。在与应用相关的基础研究方面，我们本作有所为，有所不为的精神， 选取几个具有良好应用前景，同时 我们又有很好研究基础的材料开展针对应
10、用性指标的基础问题研究。比如在二硼化 镁线带材料方面，我们前期研究已经有了很好的基础，目前我们的结果与美国研究 组和意大利研究组的结果同处世界先进水平，而且西北有色研究院以及中科院电工所在线材的临界电流方面取得很好的成绩，下一期我们将针对 MRI 要使用的二硼化镁超导线 材，开展基础研究，争取使得临界电流和临界磁场达到实用化要求。另外，与强磁 场相关的全超导磁体备选材料 Bi2212 也是我 们下一期应用基础研究内容之一。在铁基超导材料方面，我们在小样品和单晶样品上面开展的材料和物理工作引起了世界同行的高度关注，中科院电工所也制备了世界首根铁基超导线材，下一步我们将要研究其线材制备过程中和长化
11、后的临界电流和临界磁场问题。这将让我们继续保持在这方面的优势，并 为未来铁基超导 体的应用打下基础。另外，我 们还根据钇钡铜氧涂层导体发展的特点，重点选择 了其厚化以后的临界电流问题开展研究。YBCO 超导薄膜在厚度超过一定值后（1-2m），其临界电流密度甚至整体 临界电流出现下降趋势。 这种超导厚度效应 出现在不同工艺制备的 YBCO 超导薄膜中（包括脉冲激光沉积 PLD、化学气相沉积 MOCVD 和金属有机化学溶液沉积 MOD 等薄膜），它与工艺过程似乎无关。因此其中必有其特有的材料与物理机制问题。这项研究将大大提升每根钇钡铜氧涂层导体带材的总承载电流，对未来的强电应用具有重要意义。（二）
12、技术途径在新型超导材料探索和物理性质表征方面，我们将使用多年积累起来的手段，开展深入研究。在样品合成方面，我 们利用自助熔 剂方法和红外光学浮区移行方法，系统地制备高质量的高温超导体、 铁基超导 体样品，供机理和磁通物理研究之用。用普通玻璃封管和密封金属玻璃管方法制备多晶样品。为了避免气氛污染，从配料、称量到压制均在手套箱中进行。在获 得高质量样品后利用电阻和交流磁化率先进行一般测量。 觉得有重要现象出现，或需要时， 进行进一步的Hall 效应， 热电势、热导、高精度比热手段和转角比 热手段研究低能电子激发行为。在非常规超导机理方面，我们用角分辨光电子能 谱手段研究准粒子能谱；用STM 等隧道
13、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，揭示反铁磁竞争序在不同体系超导体中的特征性及异同。紧紧抓住非常规超 导体的一个普遍特征反铁磁竞争序这根主线去研究非常规超导机理是具有创新性的想法，因为这样可以了解不同超导体系的异同点，对 机理的理解可以融 汇贯通，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，我们将利用我们拥有的高精度振动样品磁强计，研究其磁通动力学行为和磁临界电流。探讨用化学掺杂和应力等手段，提高临界电 流密度。化学方法或熔融织构法调控晶界的行为，改善弱连
14、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。另外要借助于新兴的一些微观测量技术，如 Hall 探头阵列技术，磁力 显微镜技术来研究磁通动力学问题。除此之外，高精度的 STM 技术合磁力显微镜技术也可以用来研究超导体的磁通钉扎和临界电流问题。对这些基础问题的理解可以移植到应用基础方面，有效提高实用超导体的临界电流。在应用超导材料基础研究方面，我 们将根据各自特点，使用以下技术路线。1. 二硼化镁超导线材在实用化二硼化镁超导材料方面，技术上分别以 PIT 技术和 HPCVD 技术为线带材和薄膜制备总体技术框架，开发以下关键技术并解决相关基础科学问题。在 Mg
15、B2 及其元素掺杂 体系相组分演变及控制机制方面，采用 Thermo Cacl和 CALPHAD 方法对 Mg-B 及元素掺杂体系成相过 程进行系统热力学分析计算，建立超导相和第二相成相的热力学模型。使用差热分析、热重等热分析、中子衍射和傅立叶转换红外光谱研究 Mg-B 及元素掺杂体系 理化学反应，运用Friedmann 分析方法 获得 Mg-B 及元素掺杂体系反应的活化能和反应级数等动力学参数，建立 Mg-B 及元素 掺杂体系成相的动力学模型。采用高温润湿角测试仪研究 Mg-B 及元素掺杂体系的润湿性、表面张力及粉末粒度等关键物理化学特性对 MgB2 成相反 应途径和孔洞生成的影响 。探索基
16、于有机物溶液方法制备具有原子级混合水平的元素掺杂 MgB2 制备新方法。在元素掺杂改善 MgB2 磁通 钉扎方面，进一步探索采用不同固液态 C 元素掺杂源通过 Mg 位和 B 位 C 元素的替换与掺杂研究改善磁通 钉扎的物理机制。采用多种微结构和超导电性分析手段研究元素掺杂与替代对样品临界电流密度、磁通钉扎与微结构的影响，确定最有效提高 MgB2 磁通钉扎特性的掺杂和替代元素类型及最佳配比。制备相 应的线带材，采用磁化 测 量和传输电流测试等技术研究临界电流密度和输运特性， 结合结构分析手段研究材料临界电流密度与微观组织之间的关系。在高 Jc、高 稳定 MgB2线带材制备方面，采用非磁性 Nb
17、 作为阻隔层包套材料和芯部增强体，高纯无氧 铜作为稳定体。 对单芯线 材的结构进行设计， 测定复合包套的导热系数。在此基 础上设计面向不同应用多芯线材的导体结构，确定合理的芯丝结构和尺寸。采用 PIT 技术制备千米级多芯 MgB2线材。通过加工实验确定不同前驱粉、粉末填充因子和包套材料结构的复合体在孔型轧制-拉拔过程中最佳的加工率以及最佳的孔型轧制-拉拔过程衔接参数。在 600-1000不同升降温速率、保温时间、温度均匀性和弯曲半径条件下，对 in-situ PIT 技术制备的MgB2 多芯长线 材进行热处 理，采用微结构分析方法研究不同阻隔层-超导芯丝的界面结构在不同热力学和动力学条件下的演
18、变规律，建立长线带材微观结构均匀性与加工及热处理工艺的关系模型。采用四引线法测量线带材的电阻-温度曲线 R(T)、临界电流-磁场曲线 Ic(B)。分析超 导电性与微 观结构的关系，获得最佳的热处理工艺参数。在 MgB2 磁体 应用基础研究方面，建立 MgB2 超导线带 材的 n 值与 Jc的标度模型，确定不同方法制备 MgB2 多芯线材的 RRR 值，获得 n 值/RRR 值-导体设计-加工和 热处理参数之间的关系；采用有限元分析方法模拟超导体在失超传播过程中的温度随时间、温度随空 间的分布情况，从而确定最小触发能量的有限元分析结果以及不同传输电流、不同温度下的失超传播速度；对不同温度和工作条
19、件下、不同结构线材的交流损 耗进行理论计算。在 10-30K 条件下对不同线材的交流损耗进行输运法测量，最 终获得损耗 Q 与电流 I 和频率 f 的定量关系，为高均匀线带材制备的导体设计和加工、热处理参数优化提供参考。采用薄膜式应变片测力系统并结合传输法临界电流的测量研究带材应力应变特性及其与超导芯丝相互作用。开展超导接头的研制和相关电磁物理特性研究。在 MgB2 超导 厚膜及薄膜制 备方面，通过热力学和动力学模拟计算，改善Mg 蒸发 系统和反应腔体结构优化，开 发物理化学气相沉积（HPCVD）方法制备MgB2 超导厚膜及大面 积薄膜技 术和装置；开发 HPCVD 方法生长长线（带）的技术；
20、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， 发展相应的 MgB2 超导结的物理模型。目前国际上有关 MgB2 超导线带材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，所以我们拟开展包括无磁性 Nb 增强 MgB2线带材制备、 应力应变 特性、 线带材的热磁稳定性、超导接头的制备及性能等材料制备磁体应用基础研究工作，有望进一步提高线带材综合性能，为磁体制备提供关键基础参数， 为发展高场 MgB2 超导 MRI 制造提供理论和实验支持。在 MgB2 厚膜和超薄
21、膜制备方面，目前国外尚未有公开报道，相关研究有望制备出高性能 MgB2 膜材料，为相关强电和弱电应用奠定材料基础。2. 铁基超导材料实用化研究在铁基超导实用化合成研究方面，我们开展成相规律的研究。首先对铁基超导体成相反应进行系统的热力学和动力学分析，研究铁基超导体及其掺杂体系的成相反应动力学过程，建立反应动力学模型，在 结 合实验的基础上，确定最佳的合成条件。然后，我们以粉末装管技术为框架，系统研究机械加工和热处理条件对铁基超导线带材超导性能的影响规律，确定最佳的工艺条件，如研究高能球磨工艺、装管、旋锻、拉拔、平辊轧等各种加工工艺及其道次加工率对最终线带材均匀性和超导性能的影响。详细研究加工条
22、件对铁基超导体的致密度、相纯度、磁通钉扎和晶粒连接性的影响机制，探讨超导芯致密性和织构化程度与晶间电流密度以及临界场之间的关系，搞清影响线带材临界电流密度的内在机制。同时用数值模拟的方法，对铁基超导体加工变形过程进行数值模拟，全面揭示塑性变形过程中不同包套材料、不同粒度组成的前驱粉末的变形差异以及各自的显微组织变化规律。确定旋锻和拉拔过程适宜的加工参数，建立最适宜的加工力学过程的数学模型，为开发出高性能铁基超导线带材提供理论指导。采用化学掺杂法（如 Ag、Pb 等）调控铁基超 导体的晶界状态，改善弱连接，提高临界电流密度。探讨化学掺杂和重离子辐照对超导材料晶粒大小、晶格常数、晶界状态、第二相粒
