超導(dǎo)材料科學(xué)及應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究課題開題報告【最新精品】.doc

專業(yè)好文檔項目名稱：超導(dǎo)材料科學(xué)及應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究首席科學(xué)家：聞?；⒅袊茖W(xué)院物理研究所起止年限：2006.1至2010.12依托部門：中國科學(xué)院專業(yè)好文檔一、研究內(nèi)容從總體上說本項目包括三個相互聯(lián)系、相互推動的方面：（1）超導(dǎo)基礎(chǔ)材料科學(xué)和物理問題研究：包括新型超導(dǎo)材料探索和表征，超導(dǎo)重大科學(xué)前沿問題和限制應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題研究，如非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理，磁通釘扎和磁通動力學(xué)問題；（2）實(shí)用超導(dǎo)材料基礎(chǔ)科學(xué)問題：如釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體和二硼化鎂超導(dǎo)體應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究；（3）超導(dǎo)結(jié)型器件的物理、工藝以及在應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究。新超導(dǎo)材料探索是基礎(chǔ)，尋找到任何有重要科學(xué)意義或重要實(shí)用價值的新型超導(dǎo)材料都將大大促進(jìn)超導(dǎo)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為國家爭得榮譽(yù)。而超導(dǎo)重大科學(xué)前沿問題和限制應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題研究是根本。因為超導(dǎo)基礎(chǔ)研究無非有兩個根本的目標(biāo)：要么在基礎(chǔ)科學(xué)方面有重大發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)科學(xué)本身的發(fā)展，要么解決限制應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題，促進(jìn)應(yīng)用的發(fā)展。只有根本問題解決了，才能談到很好的應(yīng)用。舉例來說，上個世紀(jì)50年代創(chuàng)立的描述II類超導(dǎo)體的理論，即GinzburgLandau理論（2003年獲得諾貝爾物理學(xué)獎）很好地描述了II類超導(dǎo)體的電磁場行為，人們根據(jù)這個理論預(yù)言了磁通線，混合態(tài)等重要概念，然后從實(shí)驗上驗證了它們的存在。在此基礎(chǔ)上，人們制備出強(qiáng)磁場的超導(dǎo)磁體，進(jìn)一步發(fā)展出高清晰度的核磁成像，超導(dǎo)托卡馬克，高能加速器等等。如果沒有GinzburgLandau理論從根本上認(rèn)識到II類超導(dǎo)體的電磁規(guī)律，制備出強(qiáng)磁場超導(dǎo)磁體是不可想象的。因此第一個方向的課題極有可能獲得重大原創(chuàng)性的成果。第一方向課題之間存在非常強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)性。如發(fā)現(xiàn)科學(xué)上具有重要意義的超導(dǎo)體，往往會促進(jìn)超導(dǎo)機(jī)理的認(rèn)識。反過來，超導(dǎo)機(jī)理的新認(rèn)識會促進(jìn)尋找新型超導(dǎo)體。比如在競爭序超導(dǎo)體中，當(dāng)競爭序被壓制掉以后，超導(dǎo)溫度會有所提高。人們可以根據(jù)這個特點(diǎn)去尋找新型的超導(dǎo)體。后兩個方向是開展本項目研究的最終目的，即要解決我國重大戰(zhàn)略需求中的一些重要問題。為了解決我國未來能源（液氮溫度儲能，變電和輸電等）和交通中（磁懸浮車）的突出問題，在眾多的超導(dǎo)應(yīng)用材料中，我們選擇兩個對未來應(yīng)用普遍看好的核心材料，即釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體（所謂第二代超導(dǎo)帶材）和二硼化鎂超導(dǎo)體中的關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行研究，促進(jìn)它們盡早產(chǎn)業(yè)化。另外，為了解決我國在未來先進(jìn)醫(yī)療技術(shù)（SQUID心磁儀，新型MRI技術(shù)）和國防上（SQUID探潛等）的需求，我們將開展超導(dǎo)結(jié)的專業(yè)好文檔材料和物理問題研究，同時為具有前瞻性的應(yīng)用項目做好基礎(chǔ)科學(xué)方面的準(zhǔn)備。要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題包括：1.努力尋找到科學(xué)上有重要意義和（或）有重要實(shí)用價值的超導(dǎo)體。基于這些新材料，在結(jié)構(gòu)表征和物理研究方面率先做出有重要影響的工作。2.在高溫超導(dǎo)機(jī)理解決的過程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正確的模型和物理圖象直至解決高溫超導(dǎo)機(jī)理問題；在非常規(guī)競爭序超導(dǎo)體的機(jī)理方面有重要進(jìn)展，并找出規(guī)律，給探索新型超導(dǎo)體提供指導(dǎo)。3.提高實(shí)用超導(dǎo)體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；理解復(fù)雜渦旋系統(tǒng)和尺寸受限超導(dǎo)體的磁通運(yùn)動和相變規(guī)律。4.弄清楚實(shí)用二硼化鎂超導(dǎo)體和釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體成相和制備方法，提高釘扎和臨界磁場，促進(jìn)應(yīng)用發(fā)展。5.制備出亞微米尺寸的高性能超導(dǎo)結(jié)器件；明確超導(dǎo)結(jié)器件電磁和高頻特性以及配對、耦合和噪聲等物理機(jī)理；深入理解超導(dǎo)結(jié)器件的消相干機(jī)理和高溫超導(dǎo)等離子體振蕩的基本規(guī)律；探索新型超導(dǎo)結(jié)器件及其在各前沿領(lǐng)域中的實(shí)用方案。因此本項目以新超導(dǎo)材料探索為基礎(chǔ)，以對超導(dǎo)重大科學(xué)問題和限制應(yīng)用的關(guān)鍵問題的理解為根本，以解決應(yīng)用中關(guān)鍵科學(xué)問題為目的，本著有所為，有所不為的精神，認(rèn)真選擇課題并精心組織隊伍開展研究。具體每個方向的研究內(nèi)容如下：I.超導(dǎo)基礎(chǔ)材料科學(xué)和物理問題研究（設(shè)三個課題）I-1：新型超導(dǎo)材料探索與表征（1）摻雜Mott絕緣體中的超導(dǎo)電性；（2）新型含輕元素超導(dǎo)體的探索；（3）有機(jī)超導(dǎo)體探索；（4）激子超導(dǎo)體的探索。專業(yè)好文檔該課題的目標(biāo)或要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是希望通過未來5年的努力，能夠?qū)ふ业娇茖W(xué)上有重要意義和（或）有重要實(shí)用價值的超導(dǎo)體。并且基于這些新材料，在結(jié)構(gòu)表征和物理研究方面率先作出有重要影響的工作。I-2：非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理研究（1）高溫超導(dǎo)體電子態(tài)相圖和超導(dǎo)配對對稱性隨摻雜濃度的變化；（2）贗能隙的本質(zhì)及其與超導(dǎo)的關(guān)系；（3）高溫超導(dǎo)體的臨界漲落特性研究；（4）競爭序超導(dǎo)電性研究。該課題的目標(biāo)或要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是在高溫超導(dǎo)機(jī)理解決的過程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正確的模型和物理圖象；在非常規(guī)競爭序超導(dǎo)體的機(jī)理方面有重要進(jìn)展，并盡可能找出規(guī)律，給探索新型超導(dǎo)體提供指導(dǎo)。I-3：實(shí)用超導(dǎo)體的臨界電流問題和磁通動力學(xué)研究物理和化學(xué)方法增強(qiáng)臨界電流密度和磁通釘扎能力；（2）Josephson渦旋動力學(xué)以及餅渦旋的相互作用；（3）高溫超導(dǎo)體不可逆磁場和磁通系統(tǒng)相變；（4）受限系統(tǒng)的量子磁通態(tài)。本課題的目標(biāo)及要解決的重大科學(xué)問題是：努力提高實(shí)用超導(dǎo)體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；研究復(fù)雜渦旋系統(tǒng)和尺寸受限超導(dǎo)體磁通態(tài)的相變規(guī)律等等。II.實(shí)用超導(dǎo)材料的基礎(chǔ)科學(xué)問題（設(shè)二個課題）II-1：新型實(shí)用超導(dǎo)材料二硼化鎂有關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究（1）二硼化鎂及其元素?fù)诫s體系成相機(jī)理及相關(guān)物理化學(xué)特性研究；（2）MgB2超導(dǎo)薄膜及厚膜的物理化學(xué)氣相沉積（HPCVD）制備技術(shù)基礎(chǔ)研究；（3）二硼化鎂超導(dǎo)材料臨界磁場和有效提高磁通釘扎手段的物理本質(zhì)；（4）實(shí)用化二硼化鎂超導(dǎo)線帶材成材技術(shù)基礎(chǔ)問題；（5）二硼化鎂超導(dǎo)線帶材應(yīng)力應(yīng)變特性及磁體制備相關(guān)電磁物理基礎(chǔ)。II2：新型實(shí)用超導(dǎo)材料釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體基礎(chǔ)科學(xué)問題研究專業(yè)好文檔（1）Ni合金及立方織構(gòu)Ni、Ni基合金基帶的制備與表征；（2）種子層、隔離層、帽子層的選擇以及制備技術(shù)的制備與表征；（3）超導(dǎo)層的制備和微結(jié)構(gòu)研究；（4）涂層導(dǎo)體的相關(guān)超導(dǎo)電性的研究?？茖W(xué)目標(biāo)：解決在柔性金屬基帶上制備高臨界電流密度的釔鋇銅氧帶材的一系列基礎(chǔ)科學(xué)問題III超導(dǎo)結(jié)型器件的物理、工藝以及應(yīng)用基礎(chǔ)研究（設(shè)二個課題）III-1：超導(dǎo)結(jié)型器件的物理、工藝及應(yīng)用研究（1）超導(dǎo)結(jié)的物理和工藝研究超導(dǎo)結(jié)的結(jié)構(gòu)和量子噪聲物理；超導(dǎo)結(jié)的電磁輸運(yùn)和高頻性質(zhì)；超導(dǎo)結(jié)陣中的等離子體振蕩及其應(yīng)用；超導(dǎo)結(jié)器件的制備工藝開發(fā)；新的超導(dǎo)結(jié)物理和器件；新的超導(dǎo)量子比特的探索；超導(dǎo)結(jié)的性能和消相干的關(guān)系；超導(dǎo)量子比特與測量系統(tǒng)的可控耦合方式。（2）超導(dǎo)結(jié)器件在電子學(xué)方面的應(yīng)用超導(dǎo)結(jié)器件在射電天文、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中高靈敏電磁波檢測器等應(yīng)用：檢測器包括非熱型寬帶超導(dǎo)隧道結(jié)(STJ)檢測器；寬帶熱電子測熱輻射計(HEB)；量子極限靈敏度外差式混頻接收器等。超導(dǎo)結(jié)器件在經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)中的安全保密等領(lǐng)域?qū)⑵鹬匾饔玫男畔⒓夹g(shù)方面的應(yīng)用：包括實(shí)用超導(dǎo)量子比特的探索；超導(dǎo)結(jié)的性能和消相干的關(guān)系等。超導(dǎo)結(jié)器件在生命科學(xué)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域中太赫茲成像的應(yīng)用：主要是利用超導(dǎo)器件中的高速磁通流，等離子體振蕩和約瑟夫遜效應(yīng)等產(chǎn)生和接收太赫茲信號等。III-2：超導(dǎo)介觀系統(tǒng)量子現(xiàn)象及應(yīng)用基礎(chǔ)研究（1）介觀超導(dǎo)體中的超導(dǎo)量子現(xiàn)象的基本問題，器件物理和新的應(yīng)用探索，包括亞微米尺度的高溫超導(dǎo)本征結(jié)，亞微米介觀Nb結(jié)和構(gòu)成的SQUID中的物理性專業(yè)好文檔質(zhì)，尤其是宏觀量子現(xiàn)象的研究；具有1/2磁通自發(fā)激化的環(huán)的物理性質(zhì)研究；基于新型MgB2超導(dǎo)體的SQUID器件的研究。（2）開展超導(dǎo)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關(guān)鍵問題；SQUID器件在NMR和MRI中的應(yīng)用研究。二、預(yù)期目標(biāo)本項目的總體目標(biāo)是在新型超導(dǎo)材料探索和重大科學(xué)問題研究上力爭突破，做出重要原始創(chuàng)新性的成果，促進(jìn)科學(xué)的發(fā)展，為國家爭得榮譽(yù)；在超導(dǎo)材料科學(xué)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究的主要方面，繼續(xù)保持在世界前列；同時為我國超導(dǎo)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化解決基礎(chǔ)科學(xué)問題；培養(yǎng)扎根國內(nèi)并具有國際水準(zhǔn)的優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)優(yōu)秀的研究生、博士生和博士后并充實(shí)到超導(dǎo)研究隊伍中；促進(jìn)建立我國基礎(chǔ)材料和物理研究，實(shí)用超導(dǎo)材料的科學(xué)評估，超導(dǎo)薄膜和器件工藝研究平臺?？偰繕?biāo)包括以下幾個方面：1努力尋找到科學(xué)上有重要意義和（或）有重要實(shí)用價值的超導(dǎo)體，為國家爭得榮譽(yù)。爭取尋找到15種新型超導(dǎo)體，并且基于這些新材料，在結(jié)構(gòu)表征和物理研究方面率先做出有重要影響的工作。在新材料方面以專利的形式保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。2在高溫超導(dǎo)機(jī)理解決的過程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出正確的模型和物理圖象，直至解決高溫超導(dǎo)機(jī)理問題；在非常規(guī)競爭序超導(dǎo)體的機(jī)理方面有重要進(jìn)展，并找出規(guī)律，給探索新型超導(dǎo)體提供指導(dǎo)。同時建立有自己特色的先進(jìn)的實(shí)驗手段，能夠從微觀和電子態(tài)能譜上面直接獲得信息。3提高實(shí)用超導(dǎo)體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；理解復(fù)雜渦旋系統(tǒng)和尺寸受限超導(dǎo)體的磁通運(yùn)動和相變規(guī)律。把這些成果實(shí)用到應(yīng)用課題上，解決實(shí)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題。4弄清楚實(shí)用二硼化鎂超導(dǎo)體和釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體成相和制備方法，提高臨界專業(yè)好文檔電流和臨界磁場，與相關(guān)的863應(yīng)用項目配套，促進(jìn)應(yīng)用發(fā)展。使二硼化鎂超導(dǎo)線材在20K下其臨界磁場達(dá)到3T以上，臨界電流密度達(dá)到105A/cm2；釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體短樣臨界電流密度達(dá)到2106A/cm2以上。5以超導(dǎo)本征結(jié)和超導(dǎo)介觀體系宏觀量子現(xiàn)象為基礎(chǔ)，開展超導(dǎo)電子學(xué)的研究。深入研究超導(dǎo)結(jié)的工藝和物理，以此為基礎(chǔ)開展SQUID器件的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，使得器件應(yīng)用的水平有所提高，實(shí)現(xiàn)利用SQUID器件進(jìn)行超低場NMR和MRI探測的研究，完成二維成像的原理研究。使我國在超導(dǎo)電子技術(shù)、電磁波檢測技術(shù)、太赫茲成像技術(shù)、信息技術(shù)等國際前沿領(lǐng)域占有一席之地。最后以高水平學(xué)術(shù)論文擴(kuò)大影響，以專利形式保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。爭取申請專利2025項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文450篇以上。三、研究方案本項目包括三個主要研究方向，共七個課題。這三個方向涵蓋了從材料基礎(chǔ)到前沿科學(xué)，到應(yīng)用基礎(chǔ)問題的研究內(nèi)容，它們相互關(guān)聯(lián)和推動。下面分別敘述每個方向上課題開展的主要技術(shù)途徑、與國內(nèi)外同類研究相比的創(chuàng)新點(diǎn)與特色、取得重大突破的可行性分析。I：基礎(chǔ)超導(dǎo)材料和物理問題研究包括新型超導(dǎo)材料探索和表征，超導(dǎo)重大科學(xué)前沿問題和限制應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題研究，如非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理，磁通釘扎和磁通動力學(xué)問題在此方向上，我們要強(qiáng)調(diào)原創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)和結(jié)果，比如要推動發(fā)現(xiàn)全新型超導(dǎo)體的探索，或解決重大科學(xué)前沿問題。這本身就具有很大的創(chuàng)新性。我們要在摻雜Mott絕緣體、新型輕元素體系、有機(jī)高分子材料以及一些激子系統(tǒng)中進(jìn)行新超導(dǎo)體的探索。摻雜莫特絕緣體中由于電子之間的相互作用很強(qiáng)，電子的巡游性較差，能帶寬度與關(guān)聯(lián)能可比擬，摻雜后所形成的金屬相也不能用描述通常金屬的費(fèi)米液體模型來描述。在這個金屬相中往往伴隨著出人意料的奇異特性，如高溫超導(dǎo)，巨磁電阻等專業(yè)好文檔等。另外，超導(dǎo)完全可能在很多輕元素材料中被發(fā)現(xiàn)。原因是這些輕元素材料，往往德拜溫度很高，如果費(fèi)米面有一定的高電子態(tài)密度，就可能出現(xiàn)高溫超導(dǎo)現(xiàn)象。二硼化鎂就是這方面一個典型的例子。在很多有機(jī)材料中，電子具有巡游特性，因此有電導(dǎo)出現(xiàn)，在有些情況下會出現(xiàn)超導(dǎo)電性，而且其超導(dǎo)未必是通過聲子媒介起作用的。目前有機(jī)超導(dǎo)體的溫度已達(dá)10K以上。很多學(xué)者認(rèn)為，如果實(shí)現(xiàn)激子機(jī)制超導(dǎo)電性，那么超導(dǎo)臨界溫度Tc將會大幅度提高。但是到目前為止還沒有一個激子型超導(dǎo)體問世?，F(xiàn)代的微加工技術(shù)和薄膜制備技術(shù)為進(jìn)行激子超導(dǎo)體探索提供了契機(jī)。在測量技術(shù)上可以利用精密磁測量技術(shù)先發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體抗磁信號，然后利用電輸運(yùn)測量技術(shù)來確認(rèn)新的超導(dǎo)電性。任何具有新的物理意義或?qū)嵱脙r值的超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)都屬于重大原創(chuàng)性的工作。在非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)制方面，我們要抓住氧化物高溫超導(dǎo)機(jī)理研究這個核心，開展工作，然后向具有競爭序的超導(dǎo)體和其他新型配對對稱性的超導(dǎo)體方面拓展研究范圍。在實(shí)驗方面，系統(tǒng)地制備高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)體、鈷酸鈉超導(dǎo)體和一些密度波超導(dǎo)體樣品，供機(jī)理研究之用；用比熱、熱導(dǎo)和微波等手段研究的低能電子激發(fā)行為；用紅外和電子拉曼等光學(xué)手段研究電子的動力學(xué)性質(zhì)；用角分辨光電子光譜手段研究準(zhǔn)粒子能譜；用STM等隧道譜測量手段得到在不同條件下準(zhǔn)粒子態(tài)在實(shí)空間和能量軸上的分布；利用類似手段研究若干其它非常規(guī)超導(dǎo)體的相圖和物理性質(zhì)；對各方面的實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行由點(diǎn)到面的理論分析，揭示競爭序在不同體系超導(dǎo)體中的特征性及異同。緊緊抓住非常規(guī)超導(dǎo)體的一個普遍特征競爭序這根主線去研究非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)理是具有創(chuàng)新的想法，因為這樣不同系統(tǒng)所表現(xiàn)出來的信息可以融會貫通，相互借鑒。在實(shí)用超導(dǎo)體的臨界電流和磁通動力學(xué)研究方面，要注重通過外界環(huán)境以及材料設(shè)計調(diào)控高溫超導(dǎo)材料中磁通物質(zhì)的宏觀量子態(tài)，研究其磁通動力學(xué)行為，探討提高臨界電流密度的新途徑。基于新型的超導(dǎo)/納米材料的合成與組裝技術(shù)及其微結(jié)構(gòu)與性能的表征技術(shù)，探討有限尺寸與超導(dǎo)電性的關(guān)系，研究受限體系的磁通動力學(xué)問題?；瘜W(xué)方法或熔融織構(gòu)法調(diào)控晶界的行為，改善弱連接，提高臨界電流密度。研究手段上可以利用電輸運(yùn)，磁弛豫和動力學(xué)磁弛豫技術(shù)加以研究。另外要借助于新興的一些微觀測量技術(shù)，如Hall探頭陣列技術(shù)和精密磁光技術(shù)研究磁通動力學(xué)問題。除此之外，高精度的STM技術(shù)可以用來研究介觀專業(yè)好文檔超導(dǎo)體的磁通態(tài)量子化。II：實(shí)用超導(dǎo)材料基礎(chǔ)科學(xué)問題：二硼化鎂超導(dǎo)體和釔鋇銅氧涂層導(dǎo)體應(yīng)用中的基礎(chǔ)問題研究基于對二硼化鎂基本問題研究，技術(shù)上以粉末套管（PIT）技術(shù)為總體技術(shù)框架，開發(fā)以下關(guān)鍵技術(shù)并解決相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題。開發(fā)物理化學(xué)氣相沉積（HPCVD）方法制備MgB2超導(dǎo)厚膜及薄膜技術(shù)；開發(fā)HPCVD方法生長長線（帶）的技術(shù)；HPCVD和激光沉積方法生長高度織構(gòu)、有較完善超導(dǎo)性能的MgB2薄