《綜合性可行性報告資料》超導材料科學及應用中的基礎問題研究課題開題報告

1、項目名稱：超導材料科學及應用中的基礎問題研究首席科學家：聞海虎 中國科學院物理研究所起止年限：2006.1至2010.12依托部門：中國科學院一、研究內容從總體上說本項目包括三個相互聯系、相互推動的方面：（1）超導基礎材料科學和物理問題研究：包括新型超導材料探索和表征，超導重大科學前沿問題和限制應用的關鍵科學問題研究，如非常規(guī)超導機理，磁通釘扎和磁通動力學問題；（2）實用超導材料基礎科學問題：如釔鋇銅氧涂層導體和二硼化鎂超導體應用中的基礎問題研究；（3）超導結型器件的物理、工藝以及在應用中的基礎問題研究。新超導材料探索是基礎，尋找到任何有重要科學意義或重要實用價值的新型超導材料都將大大促進超導

2、科學技術的發(fā)展，為國家爭得榮譽。而超導重大科學前沿問題和限制應用的關鍵科學問題研究是根本。因為超導基礎研究無非有兩個根本的目標：要么在基礎科學方面有重大發(fā)現，促進科學本身的發(fā)展，要么解決限制應用的關鍵科學問題，促進應用的發(fā)展。只有根本問題解決了，才能談到很好的應用。舉例來說，上個世紀50年代創(chuàng)立的描述II類超導體的理論，即GinzburgLandau理論（2003年獲得諾貝爾物理學獎）很好地描述了II類超導體的電磁場行為，人們根據這個理論預言了磁通線，混合態(tài)等重要概念，然后從實驗上驗證了它們的存在。在此基礎上，人們制備出強磁場的超導磁體，進一步發(fā)展出高清晰度的核磁成像，超導托卡馬克，高能加速器

3、等等。如果沒有GinzburgLandau理論從根本上認識到II類超導體的電磁規(guī)律，制備出強磁場超導磁體是不可想象的。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的相互關聯性。如發(fā)現科學上具有重要意義的超導體，往往會促進超導機理的認識。反過來，超導機理的新認識會促進尋找新型超導體。比如在競爭序超導體中，當競爭序被壓制掉以后，超導溫度會有所提高。人們可以根據這個特點去尋找新型的超導體。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，在眾多的超導應用材料

4、中，我們選擇兩個對未來應用普遍看好的核心材料，即釔鋇銅氧涂層導體（所謂第二代超導帶材）和二硼化鎂超導體中的關鍵科學問題進行研究，促進它們盡早產業(yè)化。另外，為了解決我國在未來先進醫(yī)療技術（SQUID心磁儀，新型MRI技術）和國防上（SQUID探潛等）的需求，我們將開展超導結的材料和物理問題研究，同時為具有前瞻性的應用項目做好基礎科學方面的準備。要解決的關鍵科學問題包括：1. 努力尋找到科學上有重要意義和（或）有重要實用價值的超導體?；谶@些新材料，在結構表征和物理研究方面率先做出有重要影響的工作。2. 在高溫超導機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

5、超導機理問題；在非常規(guī)競爭序超導體的機理方面有重要進展，并找出規(guī)律，給探索新型超導體提供指導。3. 提高實用超導體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；理解復雜渦旋系統和尺寸受限超導體的磁通運動和相變規(guī)律。4. 弄清楚實用二硼化鎂超導體和釔鋇銅氧涂層導體成相和制備方法，提高釘扎和臨界磁場，促進應用發(fā)展。5. 制備出亞微米尺寸的高性能超導結器件；明確超導結器件電磁和高頻特性以及配對、耦合和噪聲等物理機理；深入理解超導結器件的消相干機理和高溫超導等離子體振蕩的基本規(guī)律；探索新型超導結器件及其在各前沿領域中的實用方案。因此本項目以新超導材料探索為基礎，以對超導重大科學問題和限制應用的關鍵問題的理解為

6、根本，以解決應用中關鍵科學問題為目的，本著有所為，有所不為的精神，認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容如下：I.超導基礎材料科學和物理問題研究 （設三個課題）I-1：新型超導材料探索與表征（1） 摻雜Mott 絕緣體中的超導電性；（2） 新型含輕元素超導體的探索；（3） 有機超導體探索；（4） 激子超導體的探索。該課題的目標或要解決的關鍵科學問題是希望通過未來5年的努力，能夠尋找到科學上有重要意義和（或）有重要實用價值的超導體。并且基于這些新材料，在結構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)超導機理研究（1） 高溫超導體電子態(tài)相圖和超導配對對稱性隨摻雜

7、濃度的變化； （2） 贗能隙的本質及其與超導的關系； （3） 高溫超導體的臨界漲落特性研究；（4） 競爭序超導電性研究。 該課題的目標或要解決的關鍵科學問題是在高溫超導機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)競爭序超導體的機理方面有重要進展，并盡可能找出規(guī)律，給探索新型超導體提供指導。I-3：實用超導體的臨界電流問題和磁通動力學研究（1） 物理和化學方法增強臨界電流密度和磁通釘扎能力；（2） Josephson渦旋動力學以及餅渦旋的相互作用； （3） 高溫超導體不可逆磁場和磁通系統相變；（4） 受限系統的量子磁通態(tài)。本課題的目標及要解決的重大科學問題是

8、：努力提高實用超導體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；研究復雜渦旋系統和尺寸受限超導體磁通態(tài)的相變規(guī)律等等。II.實用超導材料的基礎科學問題 （設二個課題）II-1：新型實用超導材料二硼化鎂有關基礎科學問題研究（1） 二硼化鎂及其元素摻雜體系成相機理及相關物理化學特性研究； （2） MgB2超導薄膜及厚膜的物理化學氣相沉積（HPCVD）制備技術基礎研究；（3） 二硼化鎂超導材料臨界磁場和有效提高磁通釘扎手段的物理本質； （4） 實用化二硼化鎂超導線帶材成材技術基礎問題；（5） 二硼化鎂超導線帶材應力應變特性及磁體制備相關電磁物理基礎。II2：新型實用超導材料釔鋇銅氧涂層導體基礎科學問題研究

9、（1） Ni合金及立方織構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的制備與表征；（3） 超導層的制備和微結構研究；（4） 涂層導體的相關超導電性的研究?？茖W目標：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科學問題III超導結型器件的物理、工藝以及應用基礎研究（設二個課題）III-1：超導結型器件的物理、工藝及應用研究（1）超導結的物理和工藝研究超導結的結構和量子噪聲物理；超導結的電磁輸運和高頻性質；超導結陣中的等離子體振蕩及其應用；超導結器件的制備工藝開發(fā)；新的超導結物理和器件；新的超導量子比特的探索；超導結的性能和消相干的關系；

10、超導量子比特與測量系統的可控耦合方式。（2）超導結器件在電子學方面的應用超導結器件在射電天文、環(huán)境監(jiān)測等領域中高靈敏電磁波檢測器等應用：檢測器包括非熱型寬帶超導隧道結(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。超導結器件在經濟、國防建設中的安全保密等領域將起重要作用的信息技術方面的應用：包括實用超導量子比特的探索；超導結的性能和消相干的關系等。超導結器件在生命科學、醫(yī)療保健等領域中太赫茲成像的應用：主要是利用超導器件中的高速磁通流，等離子體振蕩和約瑟夫遜效應等產生和接收太赫茲信號等。III-2：超導介觀系統量子現象及應用基礎研究（1）介觀超導體中的超導量

11、子現象的基本問題，器件物理和新的應用探索，包括亞微米尺度的高溫超導本征結，亞微米介觀Nb結和構成的SQUID中的物理性質，尤其是宏觀量子現象的研究；具有1/2磁通自發(fā)激化的p環(huán)的物理性質研究；基于新型MgB2超導體的SQUID器件的研究。（2）開展超導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鍵問題；SQUID器件在NMR和MRI中的應用研究。二、預期目標本項目的總體目標是在新型超導材料探索和重大科學問題研究上力爭突破，做出重要原始創(chuàng)新性的成果，促進科學的發(fā)展，為國家爭得榮譽；在超導材料科學及應用基礎研究的主要方面，繼續(xù)保持在世界前列；同時為我國超導高技術產業(yè)化解決基礎科

12、學問題；培養(yǎng)扎根國內并具有國際水準的優(yōu)秀學術帶頭人，培養(yǎng)優(yōu)秀的研究生、博士生和博士后并充實到超導研究隊伍中；促進建立我國基礎材料和物理研究，實用超導材料的科學評估，超導薄膜和器件工藝研究平臺?？偰繕税ㄒ韵聨讉€方面：1 努力尋找到科學上有重要意義和（或）有重要實用價值的超導體，為國家爭得榮譽。爭取尋找到15種新型超導體，并且基于這些新材料，在結構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知識產權。2 在高溫超導機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，直至解決高溫超導機理問題；在非常規(guī)競爭序超導體的機理方面有重要進展，并找出規(guī)律，給

13、探索新型超導體提供指導。同時建立有自己特色的先進的實驗手段，能夠從微觀和電子態(tài)能譜上面直接獲得信息。3 提高實用超導體的臨界電流、磁通釘扎能力和不可逆磁場；理解復雜渦旋系統和尺寸受限超導體的磁通運動和相變規(guī)律。把這些成果實用到應用課題上，解決實用中的關鍵技術問題。4 弄清楚實用二硼化鎂超導體和釔鋇銅氧涂層導體成相和制備方法，提高臨界電流和臨界磁場，與相關的863應用項目配套，促進應用發(fā)展。使二硼化鎂超導線材在20K下其臨界磁場達到3 T以上，臨界電流密度達到105A/cm2;釔鋇銅氧涂層導體短樣臨界電流密度達到2´106A/cm2以上。5 以超導本征結和超導介觀體系宏觀量子現象為基礎

14、，開展超導電子學的研究。深入研究超導結的工藝和物理，以此為基礎開展SQUID器件的應用基礎研究，使得器件應用的水平有所提高，實現利用SQUID器件進行超低場NMR和MRI探測的研究，完成二維成像的原理研究。使我國在超導電子技術、電磁波檢測技術、太赫茲成像技術、信息技術等國際前沿領域占有一席之地。最后以高水平學術論文擴大影響，以專利形式保護知識產權。爭取申請專利2025項，發(fā)表學術論文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到前沿科學，到應用基礎問題的研究內容，它們相互關聯和推動。下面分別敘述每個方向上課題開展的主要技術途徑、與國內外同類研究相

15、比的創(chuàng)新點與特色、取得重大突破的可行性分析。I：基礎超導材料和物理問題研究包括新型超導材料探索和表征，超導重大科學前沿問題和限制應用的關鍵科學問題研究，如非常規(guī)超導機理，磁通釘扎和磁通動力學問題在此方向上，我們要強調原創(chuàng)性的發(fā)現和結果，比如要推動發(fā)現全新型超導體的探索，或解決重大科學前沿問題。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、有機高分子材料以及一些激子系統中進行新超導體的探索。摻雜莫特絕緣體中由于電子之間的相互作用很強，電子的巡游性較差，能帶寬度與關聯能可比擬，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

16、奇異特性，如高溫超導，巨磁電阻等等。另外，超導完全可能在很多輕元素材料中被發(fā)現。原因是這些輕元素材料，往往德拜溫度很高，如果費米面有一定的高電子態(tài)密度，就可能出現高溫超導現象。二硼化鎂就是這方面一個典型的例子。在很多有機材料中，電子具有巡游特性，因此有電導出現，在有些情況下會出現超導電性，而且其超導未必是通過聲子媒介起作用的。目前有機超導體的溫度已達10 K以上。很多學者認為，如果實現激子機制超導電性，那么超導臨界溫度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體問世?，F代的微加工技術和薄膜制備技術為進行激子超導體探索提供了契機。在測量技術上可以利用精密磁測量技術先發(fā)現超導體抗磁信號

17、，然后利用電輸運測量技術來確認新的超導電性。任何具有新的物理意義或實用價值的超導體的發(fā)現都屬于重大原創(chuàng)性的工作。在非常規(guī)超導機制方面，我們要抓住氧化物高溫超導機理研究這個核心，開展工作，然后向具有競爭序的超導體和其他新型配對對稱性的超導體方面拓展研究范圍。在實驗方面，系統地制備高質量的高溫超導體、鈷酸鈉超導體和一些密度波超導體樣品，供機理研究之用；用比熱、熱導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手段研究電子的動力學性質；用角分辨光電子光譜手段研究準粒子能譜；用STM等隧道譜測量手段得到在不同條件下準粒子態(tài)在實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)超導體的相圖

18、和物理性質；對各方面的實驗結果進行由點到面的理論分析，揭示競爭序在不同體系超導體中的特征性及異同。緊緊抓住非常規(guī)超導體的一個普遍特征競爭序這根主線去研究非常規(guī)超導機理是具有創(chuàng)新的想法，因為這樣不同系統所表現出來的信息可以融會貫通，相互借鑒。在實用超導體的臨界電流和磁通動力學研究方面，要注重通過外界環(huán)境以及材料設計調控高溫超導材料中磁通物質的宏觀量子態(tài)，研究其磁通動力學行為，探討提高臨界電流密度的新途徑。基于新型的超導/納米材料的合成與組裝技術及其微結構與性能的表征技術，探討有限尺寸與超導電性的關系，研究受限體系的磁通動力學問題?；瘜W方法或熔融織構法調控晶界的行為，改善弱連接，提高臨界電流密度。

19、研究手段上可以利用電輸運，磁弛豫和動力學磁弛豫技術加以研究。另外要借助于新興的一些微觀測量技術，如Hall探頭陣列技術和精密磁光技術研究磁通動力學問題。除此之外，高精度的STM技術可以用來研究介觀超導體的磁通態(tài)量子化。II：實用超導材料基礎科學問題：二硼化鎂超導體和釔鋇銅氧涂層導體應用中的基礎問題研究基于對二硼化鎂基本問題研究，技術上以粉末套管（PIT）技術為總體技術框架，開發(fā)以下關鍵技術并解決相關基礎科學問題。開發(fā)物理化學氣相沉積（HPCVD）方法制備MgB2超導厚膜及薄膜技術；開發(fā)HPCVD方法生長長線（帶）的技術；HPCVD和激光沉積方法生長高度織構、有較完善超導性能的MgB2薄膜；制備

20、MgB2薄膜的微橋結和其它類型的超導結，發(fā)展相應的MgB2超導結的物理模型。最后在磁體技術基礎方面，注意應力應變特性和磁體穩(wěn)定性及相關電磁特性。在MgB2磁體的設計和制造方面，目前國際上有關磁體制備基礎的結果幾乎沒有報道，相關磁體制備工作主要目的還是為了判斷二硼化鎂磁體制備的可行性，而磁體制備基礎工作是非常關鍵的，所以我們擬開展包括應力應變、線帶材的熱磁穩(wěn)定性、超導接頭的制備及性能等研究工作，獲得磁體制備的關鍵基礎參數。本項研究當中，利用復合鐵銅管作為包套材料，是一個創(chuàng)新，一方面可以減少包套材料對超導電性的破壞，另外，可以降低包套材料的磁性，以此會對將來的磁體制作帶來方便。在釔鋇銅氧涂層導體方

21、面開展（1）Ni合金及立方織構Ni、Ni基合金基帶的研究。（2）種子層、阻擋層、帽子層的選擇以及制備技術的研究。采用磁控濺射、蒸發(fā)、激光沉積、化學方法以及IBAD多種手段制備中間層。研究薄膜的外延生長機理，尋找高速低成本制備高質量中間層的手段。（3）超導層的制備技術研究。超導層的研究主要采用三種方法：蒸發(fā)、激光和化學方法。（4）涂層導體的相關超導電性的研究。對涂層導體的磁通釘扎、交流損耗等各種超導電性能指標進行測試分析，了解各種微結構因素對涂層導體性能的影響。在制備過程中添加化學夾雜，提高釘扎中心的密度，并進一步提高臨界電流密度。III：超導結型器件的物理、工藝以及應用基礎問題研究超導結器件的

22、物理和制備工藝方面，通過觀察和分析器件的溫度特性，高頻響應特性，量子振蕩和噪聲特性等，從理論和實驗角度，研究超導材料和器件的配對、耦合和噪聲等物性，探索超導結器件在前沿領域中的應用。具體方案如下：(1)超導結特性和結物理的研究在已有的超低溫、超高頻等極限測試環(huán)境中，利用長期積累的低溫和超低噪聲測試的經驗，包括超導量子干涉器件和低溫低噪聲放大器以及無源電容電感共振回路等低噪聲測試手段，測量超導結器件的直流及交流電流電壓特性以及溫度變化規(guī)律，與尺寸有關的電磁特性和噪聲特性等。在已有的等離子體振蕩理論研究基礎上，采用實驗和數值計算相結合的方法，深入研究高性能的高溫超導結陣中等離子體振蕩頻率與隧道結數

23、目、耦合強度等定量關系，確立等離子體振蕩的變化規(guī)律；利用已有的從微波到遠紅外波段的各種信號源和微波技術、準光技術等，在建立結陣作為電磁波振蕩源與外電路的耦合方式的基礎上，研究電磁波在結陣中的傳播和等離子體振蕩與外加電磁輻照的相互作用等。通過測量結陣在外加直流磁場中的行為，包括磁通流臺階、正常態(tài)電阻和等離子體振蕩頻率等參數的磁場依從性，結合數值理論分析方法，研究高溫超導體內非線性動力學和磁通動力學性質等基礎理論問題。(2)制備工藝的基礎研究在理論計算、模型設計的前提下以及自行開發(fā)的低能離子刻蝕法和雙面制備法等創(chuàng)新工藝的基礎上，利用已有的脈沖激光、濺射、蒸發(fā)等成熟的成膜方法和光刻、電子束曝光刻蝕、

24、（聚焦）離子束刻蝕等微加工手段，通過原位刻蝕和實時檢測等有效的方法，制備高質量的薄膜材料以及微米和亞微米級的超導結器件，特別是高性能的單個結和大量性能一致的結所構成的均勻結陣。細致研究由于制備技術的不精確所造成的結和結陣特性的不均勻性以及制備工藝各個環(huán)節(jié)（設計、薄膜生長、圖形成型、電極成型）的各種重要參數對結器件性能的影響，通過理論與實驗兩方面的評估，尋找最佳的制備工藝，提高結器件性能的一致性、重復性，有效地提高結器件的成品率。(3)新型超導結器件和應用的探索在已有的超導薄膜外延生長及微加工技術的基礎上，通過研究原位氧化或等離子處理對超導薄膜界面的影響等，進一步理解和掌握超導薄膜與氧化物勢壘層

25、、絕緣層之間的外延異質生長工藝和摻雜效應，設計和制備新的薄膜型超導結器件。利用超導器件的宏觀量子效應和強的非線性隧道效應以及高效率、低損耗、高靈敏度等特點，在深入研究其高頻和噪聲特性的基礎上，探索超導結器件在射電天文、環(huán)境監(jiān)測等領域中高靈敏檢測器的應用，經濟、國防建設中的安全保密等領域將起重要作用的量子比特方面的應用，生命科學、醫(yī)療保健等領域中太赫茲成像的應用以及電流、電壓等計量標準方面的應用等。超導介觀系統量子現象及應用基礎問題的主要研究方案是：以超導量子器件即SQUID器件作為研究對象。既有高溫超導體和近年來發(fā)現的MgB2超導體的SQUID器件，也包含低溫全Nb結器件。低溫超導全Nb微米及

26、亞微米約瑟夫森結和SQUID系統對于研究介觀體系的宏觀量子現象和物理特征更為適宜。而且從應用研究看，隨作制冷技術和微加工技術的提高，低溫器件的使用和制備都更加方便，性能穩(wěn)定的全Nb器件在許多靈敏的應用（如心磁研究中）優(yōu)越性更大。采用性能穩(wěn)定的全鈮隧道結作為研究對象。運用原位濺射、光刻和電子束暴光相結合的方法制備結和器件。在較寬的溫區(qū)研究結和器件的物理性質，包括經典和量子的特征。注重理論分析和實驗測量相結合。在測量中采用電流、磁通偏置、微波以及屏蔽等手段。重點要在新的物理現象(例如量子退相干和量子相變等)和新的可能應用（微米和亞微米結SQUID器件）方面開展研究。此外對在高溫超導機理研究方面有重

27、要價值的本征結制備方面，將在Bi2Sr2CaCu2O8+等單晶上制備得到所需的亞微米尺寸的高度可控的柱狀結構（即亞微米本征約瑟夫森結）。在獲得理想的樣品的基礎上，系統分析各種尺寸的樣品的I-V以及dI/dV曲線，研究熱效應的影響，獲得系統的真正單電子隧道譜。對于MgB2薄膜SQUID器件，研究其Josephson效應，發(fā)展相應的MgB2超導結的物理模型和制備方法。研制MgB2的SQUID器件，并開展其實用可能性的探索，特別是可在液氦以上溫度工作的MgB2 SQUID器件。在提高心磁等磁成像應用器件性能方面的具體技術路線包括：穩(wěn)定性好，靈敏度高的全Nb結SQUID器件和特殊用途的器件；發(fā)展新型S

28、QUID梯度計和抗干擾技術；發(fā)展適用的信號處理方法。在傳統的NMR中，信號與核磁化強度和核磁矩的進動頻率成正比，而這兩個量均正比于磁場。所以傳統的NMR或MRI中需要采用強磁場。但是，低場下的NMR一直吸引著科學家們的關注，因為不少情況下，低場得到的信息很難在強場下得到。隨作磁場的降低，磁共振的頻率降低，因而常規(guī)的探測線圈靈敏度大大降低。一個有效地克服這一難題的途徑就是采用超導SQUID器件作為探測元件，可以對從兆赫茲直到直流的磁信號進行測量，可在mT甚至mT磁場下獲得NMR信號，同時也不需要具有極高均勻性的強磁場，使得成本降低。在具體的實施中，首先采用高溫超導SQUID器件進行實驗，在典型樣

29、品中獲得NMR信號，研究環(huán)境電磁噪聲和待測樣品引入的噪聲對信號的影響。進行編碼方式研究，研究二維成像。在基礎上探索利用低溫器件提高信噪比等。四、年度計劃年度研究內容預期目標第一年確定新型超導材料探索的范圍，并準備好前期條件，開始探索。制備出更多系列的高質量高溫超導單晶和競爭序超導單晶，開展電子態(tài)相圖和低能激發(fā)的研究。著手發(fā)展先進的實驗手段，如建立微波諧振，角分辨光電子譜設備，Hall探頭陣列實驗手段。完善熱測量和電子拉曼譜測量條件。對實用超導材料進行化學摻雜及中子輻照實驗，進行提高臨界電流的嘗試。對二硼化鎂超導材料的成相規(guī)律進行探索，獲得相圖并指導下一步材料制備。對釔鋇銅氧涂層導體的各種方法進

30、行分析、篩選并努力切實可行的制備方法。同時進行金屬基帶的織構性研究。完善制備至亞微米尺寸的各種高性能超導結和電路工藝。細致研究由于制備技術的不精確所造成的結器件特性的不均勻性以及制備工藝各個環(huán)節(jié)對結器件性能的影響，有效地提高結器件的成品率和各類應用要求的適應性；建立完善低溫、低噪聲和高頻測試系統。1. 確定一些重點研究體系，了解成相規(guī)律，制定研究探索方案。根據各種材料的特點建立相應的實驗設備。2. 制備出更多系列的高質量高溫超導單晶體。建立和完善必要的研究手段。3. 建立MgB2及其元素摻雜體系成相的物理化學過程模型，揭示其元素摻雜體系中依次出現各種亞穩(wěn)相的相變機制等。完成用HPCVD生長厚膜

31、制備MgB2超導長線（帶）的方案和相應的物理論證。4. 了解金屬基帶立方織構的形成機理和影響因素。了解影響種子層取向生長的參數，并分析原因，提出解決措施。弄清控制化學溶液法制備的氧化物隔離層的關鍵因素，給出合理解釋。5. 成熟并完善已有的亞微米本征約瑟夫森結的制備工藝。制備高質量超導MgB2薄膜。得到介觀SQUID中的分離能級計算結果。得到SQUID心磁測量信號去噪聲處理方法。本年度發(fā)表學術論文60篇以上，影響因子3以上的論文15篇以上,申報專利3項以上。第二年開始嘗試燒結制備新型超導材料，并伴隨新材料的出現進行表征。進一步制備出更多系列的高質量高溫超導單晶和競爭序超導單晶。完善微波諧振，角分

32、辨光電子譜設備和 Hall 探頭陣列實驗手段。利用多種手段，開展贗能隙區(qū)域的輸運以及低能激發(fā)的研究，并努力構造圖象。綜合各種手段，對實用超導材料進行提高臨界電流的嘗試。開展介觀尺度超導體的量子行為的研究，以及Josephson渦旋的動力學研究。建立MgB2及其元素摻雜體系的成分-溫度-壓力實驗相圖，建立了階段性亞穩(wěn)相轉變理論，揭示其元素摻雜體系中依次出現各種亞穩(wěn)相的相變機制。研究摻雜提高臨界電流和臨界磁場的規(guī)律。在相圖的指導下進行粉末套管法和厚膜生長方法的探索。對釔鋇銅氧涂層導體的金屬基帶進行細致研究和工藝探索，同時開展阻擋層和釔鋇銅氧薄膜的制備。利用低溫、低噪聲和高頻測試系統對超導結器件進行

33、系統的電磁特性和噪聲特性的測量，深入研究相關參數的溫度、磁場、頻率和尺寸等變化規(guī)律，對器件的電磁和噪聲機理有較明確的認識。1. 制備出更多系列的高質量高溫超導單晶和競爭序超導單晶。2. 爭取獲得滿足需要的高度取向的織構基帶材。3. 制備亞微米尺寸的高性能超導結。建立太赫茲波準光耦合系統。4. 提出MgB2多芯線帶材電塑性加工變形機制和物理原理。制備出18-50芯MgB2線帶材，超導芯絲直徑達到50-70m,工程臨界電流密度達到6×104A/cm2(25K,1T)。確定HPCVD生長元素摻雜MgB2超導膜過程中，摻雜元素類型和影響超導電性的規(guī)律。5. 提高金屬基帶立方織構度，平面內j掃

34、描半高寬達到8-10°。通過研究基底對種子層的影響，摸索獲得穩(wěn)定織構種子層的生長工藝。初步掌握在金屬基底上生長YBCO涂層導體的技術。6. 制備出性能良好的MgB2薄膜，摸索出MgB2薄膜中結的制備方法。新的SQUID或梯度計器件。初步完成SQUID進行NMR測量的裝置。本年度發(fā)表學術論文80篇，影響因子3以上的論文20篇以上,申報專利5項以上。第三年進一步尋找新型超導材料。如果順利地找到了新型材料，我們可以率先開展很多物性研究。進行超導單晶質量的優(yōu)化，獲得多系列不同摻雜的高溫超導單晶。開展贗能隙區(qū)域的掃描隧道譜實驗，力圖探明贗能隙與局域電子態(tài)密度的關系。研究超導壓制后量子基態(tài)相變的

35、規(guī)律，力求辯明在欠摻雜區(qū)是金屬基態(tài)還是絕緣基態(tài)。對競爭序與超導的關系有深入的理解。利用微觀手段（STM和微小Hall probe技術）來研究磁通動力學和單根渦旋芯的物理。從微觀的角度對幾種實用超導材料的磁通釘扎問題進行研究。制備出介觀尺度二硼化鎂薄膜，并研究其量子行為。制備出高臨界電流，基本滿足應用需求的二硼化鎂線帶材。開始著手實用型二硼化鎂超導磁體的設計。在高質量的金屬基帶上面開展阻擋層和釔鋇銅氧薄膜的制備。結合微結構分析，研究釔鋇銅氧涂層薄膜的磁通釘扎和臨界電流問題，并反饋指導制備工藝。并開展弱電應用的前期研究。對Josephson渦旋的動力學和相圖有初步了解。利用已有的從微波到遠紅外波段

36、的各種信號源和微波技術、準光技術等，對結器件的微波和太赫茲波響應特性進行測量，研究電磁波在結陣中的傳播和等離子體振蕩與外加電磁輻照的相互作用，獲得結器件在電磁波下行為的清晰圖像。1. 制備一批高質量的新型超導體單晶，對超導相的本征物理性質深入分析。2. 獲得多系列不同摻雜的高溫超導單晶。3. 確定最有效提高MgB2磁通釘扎特性的摻雜和替代元素類型及最佳配比。建立MgB2超導體的磁通釘扎機制定量數學物理模型，提出元素摻雜替代、納米粒子摻雜和微結構改善MgB2超導體磁通釘扎的物理模型。建立MgB2超導結的物理模型，了解MgB2 SQUID的特征性能。制備出二硼化鎂超導結。4. 了解熱蝕溝的存在對隔

37、離層和超導層晶粒取向的影響程度。 2使阻擋層生長技術適合產業(yè)化發(fā)展，j掃描半高寬小于8°。YBCO涂層導體短樣臨界電流密度達到1´105A/cm2(77K,0T)以上。5. 實現利用SQUID器件進行超低場NMR信號測量。本年度發(fā)表學術論文80篇，影響因子3以上的論文20篇以上,申報專利5項以上。第四年對新發(fā)現的超導材料進行深入研究，并擴大探索范圍，努力尋找到更多的新型超導材料。對高溫氧化物超導體和其他非常規(guī)超導材料從多角度進行研究，爭取獲得有關機理方面的重要實驗結果。實驗和理論結合，努力構建高溫超導圖象。開展贗能隙區(qū)域的深入物理研究，力圖探明贗能隙與超導的關系。研究超導壓制后的基態(tài)行為。對競爭序與超導的關系有深入的理解。利用微觀手段（STM和微小Hall probe技術）來研究磁通動力學和單根渦旋芯的物理。從微觀的角度對幾種實用超導材料的磁通釘扎問題進行研究。制備出高質量二硼化鎂薄膜并開展器件研究和制備。在獲得高臨界電流密度的基礎上，利用二硼化鎂線帶材制備磁體，并對磁體的性能進行標定。對釔鋇銅氧涂層導體的性質進行深入研究，進一步生長出長帶樣品。在技術上實現亞微米尺度本征結和全Nb結SQUID的制備，并能夠穩(wěn)定工藝。在此基礎上開展介觀超導體和器件中的物理性質，尤其是宏觀量子現象的研究，爭取在超導量子技術上有所突破。制備出Mg