【基金标书】2011CB605900-高温超导材料与物理研究

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： 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 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。 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 代表的实用超导材料的临界电流、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 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/使得 1000 米级的导线 临界电流密度在 20K， 2 T 达到105A/为研制 场 超导磁体的 统奠定基础。开展 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 料的高织构区域，为 制备高度织构化和良好晶粒连接性的 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 下其临界磁场达到 100T 以上，临界电流密度达到 105A/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 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 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时提高 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 27K, 5T)。 6 制备出优质的 超导材料 超薄膜， 膜厚度在 10 纳米内， 于 30K；其它材料的单晶薄膜超导转变温度宽度小于 ，正常态表面电阻率小于0.1 m界电流密度大于 106A/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 1界电流密度在 100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/电流低于 努力 制备出铁基超导体 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 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，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 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 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。 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 导薄膜中（包括脉冲激光沉积 学气相沉积 金属有机化学溶液沉积 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） 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 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 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 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 术 和 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 其元素掺杂体系相组分演变及控 制机制方面 ， 采用 法对 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 化学反应，运用 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 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 润湿性、表面张力及粉末粒度等关键物理化学特性对 相反应途径和孔洞生成的影响 。 探索基于有机物溶液方法制备具有原子级混合水平的元素掺杂 备新方法。 在元素掺杂改善 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 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 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 稳定 带材制备方面， 采用非磁性 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 术制备 千米级多 芯 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 拉拔过程衔接参数。在 600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 术制备的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 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 )、临界电流 c(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 体应用基础研究方面， 建立 导线带材的 n 值与 标度模型 ， 确定不同方法制备 芯线材的 ， 获得 n 值 / 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件下、不同结构线材的交流损耗进行理论计算。在 10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 导厚膜 及薄膜制备方面，通过热力学和动力学模拟计算，改善发系统和反应腔体结构优化， 开发物理化学气相沉积（ 法制备导厚膜及 大面积 薄膜技术 和装置 ；开发 法生长长线（带）的技术； 激光沉积方法生长高度织构、有较完善超导性能的 膜；制备 膜的微桥结和其它类型的超导结，发展相应的 导结的物理模型。 目前国际上有关 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 强 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 导 在 膜和超薄膜制备方面，目前国外尚未有公开报道，相关研究有望制备出高性能 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） 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、 第二相粒子和晶格缺陷的作用规律以及对磁通钉扎能力的影响。通过掺杂和离子辐照引入杂质或缺陷增强电子散射强度，进而提高材料 的上 临界磁场 。在研究化学掺杂和重离子辐照对铁基超导体组织结构、电子散射和超导性能影响的基础上，建立微观结构和宏观物性之间的内在联系，阐明化学掺杂和重离子辐照提高铁基超导材料性能的内在机制，建立有效的物理模型。 开展铁基超导材料弱连接问题的研究。揭示铁基超导体弱连接问题的物理机制将为提高铁基超导体的临界参数提供理论指导。 在研究铁基超导体弱连接问题的基础上， 探索强磁场热处理工艺提高织构取向性的可行性，研究提高铁基超导线材超导性能的新途径 。 另外，我们将尝试用后砷化处理的方式开展铁砷超导薄膜和厚膜制备工作 ，并基于这 种新方法，在 超导材料的超导相形成及演化、平衡 /非平衡制备条件以及平衡 /非平衡掺杂条件下超导性质的行为变化及其机理研究等方面，有望获得一些创新性的研究成果。采用的总体技术路线： （ 1） 先驱膜的生成：采用钐铁氧化物靶材溅射制备 ，可规避高压合成制备 者直接制备适用于 11 系的 ；采用磁控溅射沉积 （ 2） 超导薄膜的制备：采用后续 e 化过程。避免溅射过程中 蒸气压造成的成分不均，同时安全性得到了保证。 （ 3） 临界性质及 其相关基础研究 。 采取控制薄膜厚度（较薄），多次 e 化处理的方式（保证成分、结构均一性以及梯度的去除），制备具有高临界性能的 超导薄膜；采取工艺条件控制（温度、饱和气压、反应时间）等方式，制备具有一定厚度、具有一定成分梯度的薄膜，并研究临界性能的演化；采取非平衡 /非平衡掺杂等方式，考察并研究临界行为与掺杂薄膜结构、成分等的关系并给予解释 。 3. 导带（线）材制备 由于 导体具有 层状结构特性和强烈二维各向异性， 提高 其载流性能 的 核心问题是如何通过第二相的控制 和 提高晶粒的织构 度。 我们 将首先研究芯线材和带材的制备技术基础（图 1），确保能稳定地制备出供研究的品。在此基础上研究熔化处理过程中的相演变规律，获得能有效控制最终样品中第二相含量的技术条件；在限制第二相粒子对晶粒连接性和织构化过程的影响后，课题将研究外加磁场和银层在熔化处理各阶段对晶粒取向的影响，获得完整的 粒织构化机理，使 导体在全厚度上获得均匀的、C 轴平行于磁场方向的晶粒有序排列，从而显著提高导体的载流性能。 B i - 2 2 1 2 粉 末 制 备粉 末 压 棒 装 管9 1 芯 丝 材 制 备9 1 7 芯 丝 材 制 备3 7 芯 丝 材 制 备3 7 芯 带 材 轧 制普 通 熔 化 热 处 理磁 场 熔 化 热 处 理低 温 后 退 火 处 理低 温 渗 氧 处 理性 能 分 析 检 测图一 芯线材和带材的制备技术路线 4. 钇钡铜氧涂层导体厚化过程中的临界电流问题研究 在钇钡铜氧涂层导体方面，我们提炼出临界电流密度随膜厚变化这个科学问题，集中研究高温超导 膜及其涂层导体在厚化后的材料微结构与超导本征特性的关联性问题。下面结合主要研究内容阐述学术思路、技术途径及其可行性和创新性等。 我们将通过 别制备一系列不同超导层厚度（几百纳米到几个微米厚的 膜及其涂层导体）， 深入研究 膜及其涂层导体的超导临界电流对薄膜厚度的依赖关系。通过 察 局 域外延取向随薄膜厚度变化的演变规律；通过 察不同膜厚的表面形貌和岛状生长特点，还将通过弱酸软刻蚀处理，观察不同层厚中的位错和生长模式的变化 ；同时通过拉曼光谱等技术研究不同厚度薄膜中的应力特征。 根据以往的一些超导厚度效应的实验结果，我们注意到薄膜厚度增加后的微结构变化特别是局域织构取向的变化是十分重要的因素。改善厚度增加后的超导层织构性能可望能有效克服临界电流的厚度效应，为此我们考虑通过设计独特的工人复合结构，周期性地引入极薄的非超导层，特别选取那些晶胞类型和晶格常数、热膨胀系数与 导体相接近 ，且在化学上又与超导层保持很好的稳态性的氧化物材料，将优先考虑选取具有金属导电性能的钙钛矿氧化物，比如，（ ，较厚 之间的极薄非超导层，可能阻止超导层因厚度增加产生的织构畸变。 我们拟将开展的工作将使用 选取具有导电性的钙钛矿氧化物，在结构和晶胞常数上与超导 分接近，在保证很好外延生长的同时，保持良好的化学、磁热等稳定性。由此建立的复合多层结构可望能更有效地释放厚度增加的外延应力或热膨胀造成的微裂纹，改善厚度增加后的超导薄膜的晶体取向度和 晶格完整性。因此可望在超导厚度增加的同时不降低超导临界电流密度，进而在提高层导体单位宽临界电流方面取得突破。 另外我们拟将 研究通过改变非超导层的厚度和周期性，研究人工复合薄膜结构中超导电性可能出现的生长模式和超导电性上的维度跳跃现象等，这些探索性实验在其它样品中是难以实现的。 为了提高厚化后的 层导体磁场下的超导载流能力，引入高密度的人工磁通钉扎中心是十分必要的。 掺杂的体系中增强的磁通钉扎来源于涡旋芯子和引入的钉扎缺陷之间的 吸引 相互作用，这些钉扎缺陷有可能来自超导体中异质相本身，也可能 是 由掺 杂 而 导致的结构缺陷（如位错，堆积层错等）引起。 理想的芯钉扎要求缺陷的尺度与超导相干长度 ()相近，并且其面密度应达到 (B/2)1011 /B 为磁感应程度，单位为特斯拉 )。铜氧化物高温超导体其相干长度较短 , 为取得有效的磁通钉扎效果， 人工 引入的异质相其尺度必须在纳米量级， 并 且其面密度达到 1011/这些技术措施有望大大提高钇钡铜氧涂层导体的单根导线临界电流。 5. 优质超导薄膜研究 为了制备满足各种需求的超导薄膜和结器件，一方面需要对薄膜和结制备中的共性问题进行研究，另一方面又要特别注意针对 不同的材料和具体应用器件类型，进行有针对性的重点研究。本课题拟在单光子探测用高性能超薄超导薄膜，太赫兹技术和量子计算所需的单晶超导薄膜和超导结，铁基超导膜和其它超导材料的超导结及其超导多层薄膜等几个方面进行研究。 (1) 超导膜和结制备工艺的基础研究 采用多种先进的薄膜制备手段（包括溅射、电子束蒸发、脉冲激光沉积以及物理化学气相沉积）研究器件所需的超导薄膜的生长。利用过去工作的积累和优势因材选法，同时加强薄膜生长工艺条件与结构和性能关系的研究，发展和完善薄膜生长原位监测方法，注意总结所研究超导薄膜生长和成相 规律，从而对薄膜的生长模式有较好的控制，达到制备超导性能良好、表面界面平整度高的高质量超导薄膜和多层膜。 在理论计算、模型设计的前提下，利用光刻、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，制备高质量的微米和亚微米级的超导结器件，特别是高性能的单晶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，有效地提高实用器件的成品率。 (2) 超导膜和结的物理特性研究 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各种有效滤波器等低噪声测试仪器和手段，测量超导膜和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。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、准光技术以及光谱技术等，确定薄膜中的超导电子和正常态电子的密度以及正常态电阻等。另外由于许多超导 材料的电子散射频率都在太赫兹 (段，因此我们还可以从 谱得到电子散射频率等物性参数。上述这些参数的确定对我们评价薄膜的质量，探讨超导机理以及验证各种超导模型的正确性都有重要的意义。 (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器件。利用超导器件的宏观量子效应和强的非线性 隧道 效应以及高效率、低损耗、高灵 敏度等特点，在深入研究其高频和噪声特性的基础上，探索超导结器件在射电天文、环境监测等领域中高灵敏检测器的应用，经济、国防建设中的安全保密等领域将起重要作用的单光子探测、量子比特等方面的应用，生命科学、医疗保健等领域中太赫兹成像的应用以及电流、电压等计量标准方面的应用等。 中科院物理所、南京大学和北京大学等单位在本课题的各研究方面已积累了丰富的经验，开展了大量的前期工作，为本课题的实施奠定了良好的基础。 （三） 可行性分析 1. 本项目承接前期良好的研究基础，并针对未来超导应用中的基础科学问题而开展的。我们的项目根据 研究的内容和特色，从基础材料的探索合成到机理问题研究，再到应用基础研究，逐次展开。我们项目中汇集了从超导基础材料化学，材料制备和结构表征，多种低温物性的测量，以及应用前期相关的基础研究方方面面的人才。因此很多问题，在项目内部就能够通过合作得以解决。这些均有利于项目的顺利开展和完成。 2. 各课题的实验方案都很具体，并切实可行，在此不再赘述。参与我们项目的有 3 个国家重点实验室， 1 个国家工程实验室和数个自己成立的超导材料研究实验室，分别是物理所的超导国家重点实验室，北京大学的介观物理国家重点实验室（含北京大学超导研究 中心），中国科技大学的微尺度国家重点实验室，西部超导材料科技有限公司和西北有色金属研究院的超导材料制备国家工程实验室，南京大学超导电子学实验室和超导薄膜材料研究中心，中科院电工所的中科院应用超导研究重点实验室，等。在这些实验室中，已经具有很强的基本样品制备和测量条件。在新超导材料探索方面，我们具有常压、高压、真空和气氛密封等制备手段。在样品制备方面，我们还具有各种所需的烧结炉和处理炉以及单晶生长炉。在测量方面，我们已经有基础低温测量设备 10 余套，温度可以从 50 毫开温区扩展到室温范围。这些研究手段在过去 5中被建立起来，并且经过实验的考验 。 3. 良好的前期基础保证了项目的顺利实施。经过过去 20 年的努力，我们对超导体的基础材料，高温氧化物超导体和一些新型超导体机理问题，以及一些重要的应用基础问题进行了深入的研究，获得了一批重要的成果，保持在世界上较先进的水平。尤其是在铁基超导材料方面，正由于我们国家长期给予超导的支持，才获得了重要进展，引起国际上面的高度关注。在二硼化镁超导体方面，西北有色院制备的多芯线和电工所制备的掺杂短样样品的临界电流和磁场下的指标均已经与国际先进水平相当。中科院电工所还制备了第一根铁基超导 线，并在这个方向上保持领先地位。另外我们在钇钡铜氧涂层导体和超导薄膜器件方面也取得了长足的进步。在上一期 973 项目之下，我们的很多工作在国际超导界产生重要影响，被广泛地引用，有些工作被本领域的著名科学家高度评价。这些均有利于新申请项目的顺利实施。 （ 四 ） 创新点与特色 本项目的创新点和特色表现在以下几个方面： 1. 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原创性的工作。 全球超导研究部门均高度关注新型超导材料的探索研究。我们以过渡金属化合物中的关联电子特性，反铁磁特性和自旋阻挫为背景去寻找新型超导材料 ，具有重要创新性 ，有望获得突破 。 2. 多种有特色的手段研究非常规 超导 机理问题，具有 综合优势和 创新性。首先，我们在具备很多样品制备和测量一般性 手段 的基础上，同时具有一些特色性很强的实验手段，如激光角分辨光电子谱仪，目前在深紫外范围内只有我们项目成员具备。另外我们最近开发的角度分辨的比热研究手段，低温变磁场的 在国际上面也比较鲜见。我们的项目中实验与理论 紧 密结合，从基础超导材料的合成到机理问题，到应用的基础问题的研究，均在一个项目中体现出来，不同组之间的研究 内容 相互连贯，彼此借鉴，因此具有很强的协作攻关的特色 。 3. 具体到 二硼化镁方面 ， 采取的研究方案和技术途径尚无国内单位开展相关工作 。 另外， 与国外同类研究比较，本课题将首次关注并研究外加磁场和银层对 芯导体不同区域的织构化过程的综合影响，为解决 212 界面织构和中心区域织构差异这一重大技术问题提供理论支撑和新的技术解决途径，具有较重要的理论和技术意义。 4. 铁基超导体被发现以后，我们项目组成员第一个制备出来了铁基超导线材。在制备过程中有很多创新思想 ，如包套材料的选取，烧结和拔制过程的选取和优化，等等 。 我们将进一步开展 很多 其他 铁基超导体线材 的制备，具有 原创性 。我们将尝试用后砷化处理的方式开展铁砷超导薄膜和厚膜制备工作 ，这在国际上 也 尚未见报道。 5. 在 钇钡铜氧涂层导体厚化临界电流提高方面，我们拟关注一种特别的复合超导层结构： 搀杂薄膜或准多层。 其中 M=导电型异质相，控制生长为岛状非完整层，由此可望能在对超导电性不被破坏的情况下高密度地增加纳米级异质相，特别是希望能诱导增加自组装的 联的外延缺陷，进而能提高外场平行于 （无本征钉扎效应存在）的临界电流密度，这是涂层导体在电力工程应用环境中（特别是线圈磁体应用）至 关重要的问题。这些思路具有创新性。 6. 针对新型超导材料，探索超导结的制备方法。特别是新发现的铁基超导体超导单电子隧道和约瑟夫森效应的研究，将尝试制备沿着 c 方向的约瑟夫森结和有外部超导反电极的非本征的约瑟夫森结等方法，以获得最佳的超导结。这在国际上未见报道，具有一定创新性。 （ 五 ） 课题设置 各课题间的相互 关联以及和项目总体目标实施的 关系 ： 本项目包括 两 个主要方向：（ 1） 基础超导材料和物理问题研究 （ 包括“ 新型超导体探索和表征 ” 、 “ 非常规超导材料和机理问题研究 ”与“ 过渡金属化合物超导材料和物理性质研究 ”三个课题 ） ：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 （ 包括“ 实用化 、“ 新型铁基超导材料实用化和钇钡铜氧涂层导体厚化过程中基础科学问题研究 ”与“ 高性能超导器件薄膜材料和超导结的研究 ”三个课题 ） ： 如二硼化镁超导体 、铁基超导体， 材，钇钡铜氧涂层导体和优质超导薄膜 应用中的基础问题研究。 这 两 个方向 为实现项目总体目标而设置， 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。上游的研究成果可以被下游课题所吸收和借鉴，而下游的研究又会促进上游课题的进展。 第一个方向的主要目的是完成五年预期目标中的 1、2 两点，而第二研究方向主要为了完成五年预期目标中的 3面。两个方向的六个课题互相关联互相合作，促进了五年目标中的超导队伍和平台建设。 下面列出各课题的相关信息： 课题 1、新型超导体探索和表征 经费比例： 17% 承担单位： 中国科学院物理研究所 课题负责人： 李建奇 学术骨干： 赵忠贤、孙力玲、任治安、田焕芳 预期目标： 能够寻找 到科学上有重要意义和（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。 研究内容： 超导体一切基础研究和技术应用都基于新超导材料的发现，因此寻找新的高温超导体是超导领域基础研究的一个永恒主题。在自然界中具有高临界温度超导电性的天然材料是不太可能的，但是把几种元素放在一起合成出新的超导材料是完全可能的。氧化物高温超导体 、铁基超导体 就是很好的例子。 在新材料这一领域，我们将重点开展以下研究： 探索新型超导体，包括多层的 系（ 土元素； T：过渡金 属 V 族元素 P 等）。我们发现与此有关的具有多层结构的材料有数百种以上，目前已经开展了初步研究。探索合成一些具有这种特殊结构或类似结构的新（超导）材料。努力寻找转变温度更高或更具有物理研究及应用价值的新型超导材料。通过晶体学、材料科学以及基本物理特性进行的研究总结成相规律，以期找到最佳工艺。 掺杂 缘体中的超导电性。有一大类过渡金属氧化物材料都有一个共同的特征，即它们都源自于一个非带隙的绝缘体行为，通常称作莫特绝缘体，并且大都伴随出现反铁磁性。对这样一个绝缘体进行电荷浓度的改变， 逐渐会出现电导，发生金属绝缘体相变。由于电子之间的相互作用很强，电子的巡游性较差（动能较低），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。此类材料中很多奇异特性与电荷，自旋和轨道自由度之间的耦合和关联有关。通过化学和物理的手段，我们可以调协这种耦合和关联，使其基态发生改变，最后得到一些奇异特性，比如超导电性。 新型轻元素超导体的探索。新型超导体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。最近发现的硼掺杂金刚石等等出现超导性也许就是这个道理。 制备高质量的样品包括单晶，服务于总结相关规律，发现新现象或新效应和机理研究。高质量的单晶样品是研究物理本质的关键。如物质电子结构的研究，应等需要单晶。应该说重要的物理实验都在等待单晶。高质量单晶生长难度很大，由于该种材料的特殊性和实验条件的限制，目前，在很多超导体中，还没有得到很理想的结果。我们将通过设备和工艺的改进得到令人满意的结果。 利用超高压结合低温、磁场等综合极端实验条件对超导体超导态转变的物理机制 进行 更 深入 的研究， 揭示其包括温度和高压所致的 各个层次 的 物质结构 和电子转变的 基本规律 ，研究压力对超导体结构和输运性能的影响。 结构特征化，结构与物理性能的关联。新型超导材料的基本晶体结构性质是理解电子结构和主要物理性能的基础，为了对超导体的输运性能及其超导机制进行深入分析，我们不仅需要知道体系的平均结构信息，还需要澄清具体化合物的重要微结构特征，如超导样品中的氧空位、 e 的价态 , 的完整性，局域结构畸变，缺陷类型等。在本课题中，我们将对各种高质量的超导体样品，包括多晶和单晶，进行系统的结构分析，探 索这类超导体系的主要结构特征，发现新的结构现象，发展有效的结构分析手段，弄清影响超导电性和其它物理性能的关键结构参数，总结材料微结构和物理性能的关联模式，为探索更高临界温度的超导体系提供有效指导，并为物理性能分析和超导机制研究提供可靠的实验结果。具体研究工作包括：（ a） 晶体基本结构性能研究。超导体的临界温度、临界电流密度在很大程度上依赖于材料中的局域结构特性，晶体缺陷、晶界结构、钉扎效应和氧 /砷离子价态等。（ b） 结构和超导电性的关联。超导体的结构相变直接影响到低温下的磁结构、自旋涨落和超导转变，这个相变包含 明显的局域结构变化，是结构研究中的重要问题。在铜氧化合物高温超导材料中结构相变问题已经得到广泛重视，很多低温相变会伴随有结构相分离，氧有序，以及局域结构转变。在母体化合物中引入载流子（电子和空穴）形成的铁基超导材料具有丰富的物理和结构性能。我们将利用高分辨电子显微技术，电子能量损失谱等高精度实验手段对铁基超导体就上述问题进行深入研究，确定影响铁基超导体超导性能的关键微结构因素。对于铁基超导系统，铁离子的价态可能已经低于二价，具体电子结构和载流子浓度将直接影响系统的电子关联效应和超导电性。（ c） 电子能量损失谱 。随着场发射电子抢和能量单色器在透射电子显微镜上的使用，电子能量损失谱 (质量和分辨率得到了很大的发展。目前，在安装有能量单色器的电子显微镜上，能量损失谱的分辨率已经优于 种高分辨的电子能量损失谱直接反映出透射电子在穿透样品过程中所损失能量特征，可以用来研究材料的元素组成，化学成键和电子能带结构情况。准确解释 精细结构 , 进一步分析这种超导体的电子结构特点，结合电子显微镜的高空间分辨能力，分析氧空位和结构变化对系统电子结构的影响。 课题 2、非常规超导材料和机理问题研究 经费 比例： 22% 承担单位： 中国科学院物理研究所、中国科学技术大学 课题负责人： 闻海虎 学术骨干： 李晓光、单磊、梁颖、 王智河 预期目标： 制备非常规超导材料并研究其机理问题， 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 新 的模型和物理图象；在 反铁磁 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。 研究内容： 在 很多 非常规超导体中， 反铁磁 竞争序的出现是一个普遍的特征。这些系统包括氧化物高温超导体， 铁基超导体 ， 重费米子超导体 等等。 反铁磁 竞争序的出现往往是由于系统中的 几个能量尺度相当，在特定条件下超导序占优势而表现出来。高温超导体 和铁基超导体 就是一个典型的例子。如果想办法压制 反铁磁 竞争序，超导 就会出现，超导 温度往往得以提高，因此对于新超导材料探索也有指导意义。 在未来一段时间中，氧化物高温超导机理 和铁基超导体机理 研究仍然是一个重要课题。氧化物高温超导体是一种典型的 流子被掺入，体系变成金属和超导后，电子的低能激发行为却不同于常规系统 ，因此它似乎可以被强配对势和低载流子浓度的图像所刻画 。在最近几年的研究当中，很多重要的物理现象被揭示和肯定下来，如超导波函数 的 能隙， 小费米面， 可能的量子临界现象，以及因电子相及结构特征所导致的本征不均匀性等等。高温超导体在欠掺杂区有赝能隙出现， 我们近期的比热，以及较早期的能斯特和磁化实验等均说明 赝能隙可能对应的是超导的预配对。我们利用自己研制的一种新技术测量超导体的超流密度， 结合变温 究这种预配对的行为 ，然后与相关理论进行比较，最后判明 是否是库柏对早就形成， 或指出超导凝聚及赝能隙的本质。随着这些重要现象的确认，高温超导研究不断地接近其本质。我们目前已经建立了一些先进的手段，如比热，热导，能斯特，隧道谱 等等。高精度 变温变磁场的 及角分辨光电子谱装置 已经建成， 正 可以用于这些主要性质的测量 。相信 利用这些动量或空间分辨的 手段 ， 我们 将 解开 氧化物 高温超导之迷。 在铁基超导材料的配对机理方面，目前一个一边倒的理论模型认为，电子配对是空穴和电子费米口袋上的电子之间通过交换反铁磁涨落发生跃迁，达到配对的目的，因此配对为所谓 S。然而，到目前为止直接实验证据仍然很少，所存在的实验结果均相互矛盾。比如角分辨光电子谱实验发现空穴费米面具有完整能隙，然而 流密度实验和核磁共振实验均显示一 个幂函数形式的低能准粒子激发，尽管与 S不违背，但是很牵强。而假设费米面的什么地方存在能隙节点的图像更为合适。最近我们做的杂质散射的实验也似乎与 S的图像有矛盾。因此在铁基超导机理方面，研究刚刚开始，远远没有达到清楚的地步。我们将利用输运，热力学手段研究正常态电子的散射行为，结合费米面信息，刻画反铁磁涨落对电子间相互作用的影响。此外，我们将利用角分辨光电子谱和扫描隧道谱来研究超导态的配对对称性随反铁磁相逐渐被压制的演变行为，了解其机理问题。 通过对 多种 非常规超导体的实验和理论研究，找到 反铁磁 竞争序 与超导之间的 演化规律，分析其微观物理机制，分析 反铁磁自旋涨落与非 常规电子态 行为之间的关系，找到更多关于非常规超导，特别是高温超导机理的线索。 课题 3、过渡金属化合物超导材料和物理性质研究 经费比例： 15% 承担单位： 浙江大学、中国科学院物理研究所 课题负责人： 周毅 学术骨干： 许祝安、陈庆虎、何少龙、朱金龙 预期目标： 本课题 瞄准过渡金属化合物超导体材料 (包括铜氧化物和铁基高温超导体 )和物理性质开展研究，重点关注电子态相图，以及拓扑超导体的特殊量子性质等开展研究工作 。在过渡金属化合物超导体的探索和物理研究方面取得重要 进展。 研究内容： 研究铁基超导体输运性质和热电性质，以及量子临界性。通过元素替代引入化学压力，深入研究化学压力引发的超导电性进行。对超导体的超导态以及正常态物性作精密测量，获得超导体的配对性质和电子态信息。研究含 铁基化合物的相图和基态演化，深入探讨层间 合作用对超导体物性的影响，探索可能存在的量子临界性以及重费米子超导体。深入研究含 122 相铁基超导体中的超导与磁有序共存的行为，为理解超导机理提供帮助。通过掺杂非磁性杂质（如 素），研究非磁性杂质对超导电性和反铁磁序的影响，为判断超导 配对对成性提供依据，验证相关的理论预言。利用热电势和 应等热电效应和热输运测量，研究铁基超导体的多带特性以及带间耦合对其超导电性的作用。拟以电流驱动的柱状缺陷的三维各向异性 型和分子动力学模拟等方法，模拟在具有随机点缺陷和柱状缺陷的二类超导体中涡旋物质非平衡态性质，并与本课题的实验研究相结合，系统地探索较大尺寸高温超导系统随外加电流、温度、磁场（方向）、无序的强度和密度而变化的 征；给出具有随机点缺陷和柱状缺陷下二类超导体运动涡旋物质实质性的描述；唯象地给出运动的磁通涡旋与随机点缺陷和柱 状缺，热涨落等交