高温超导材料与物理研究

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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MgB2和Bi-2212为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，2T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。1．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4.2K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。2．理解YBCO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)。3．制备出优质的超导材料超薄膜，MgB2薄膜厚度在10纳米内，Tc大于30K；其它材料的单晶薄膜超导转变温度宽度小于0.1K，正常态表面电阻率小于0.1mW.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1mm2，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30kA/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。4．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Mott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，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（～1-2mm），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）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MgB2及其元素掺杂体系相组分演变及控制机制方面，采用ThermoCacl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-situPIT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；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Fe系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SmFe膜，可规避高压合成制备SmFeAsO0.85靶材的复杂性和不经济性；或者直接制备适用于11系的Fe膜；采用磁控溅射沉积SmFe或Fe前驱薄膜;（2）Fe系超导薄膜的制备：采用后续As/Se化过程。避免溅射过程中As高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As/Se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Fe系超导薄膜；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.Bi-2212超导带（线）材制备由于Bi2212超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Bi2212多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Bi2212样品。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Bi2212晶粒织构化机理，使Bi2212超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。 图一Bi2212多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YBCO薄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PLD和MOD分别制备一系列不同超导层厚度（几百纳米到几个微米厚的YBCO薄膜及其涂层导体），深入研究YBCO薄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EBSD观察局域外延取向随薄膜厚度变化的演变规律；通过AFM观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YBCO超导体相接近，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，（LaCa）MnO3，（SrNb）TiO3和SrRuO3等，较厚RE123层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YBCO十分接近，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YBCO涂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YBCO涂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(x)相近，并且其面密度应达到(B/2)1011/cm2(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/cm2。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(THz)波段，因此我们还可以从THz光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5-10年中被建立起来，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STM等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Bi2212多芯导体不同区域的织构化过程的综合影响，为解决Ag/2212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。1.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：RE123/M搀杂薄膜或准多层。其中M=SrRuO3等导电型异质相，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c-axis关联的外延缺陷，进而能提高外场平行于c-axis时（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。2.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MgB2和Bi-2212超导材料制备及磁体应用中基础科学问题”、“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，Bi2212线材，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3-6方面。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ReOTPn体系（Re：稀土元素；T：过渡金属Fe和Ni；Pn：V族元素As和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Mott 绝缘体中的超导电性。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，ARPES，dHvA效应等需要单晶。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、Cu/Fe的价态,Fe-As层的完整性，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(EELS)的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0.1eV。这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EELS谱精细结构,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Mott绝缘体。载流子被掺入，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d-波对称性，赝能隙，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STM实验，研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STM装置，以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M点费米面上的能隙状态不清楚。超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Ce的铁基化合物的相图和基态演化，深入探讨层间d-f耦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Eu的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Zn元素），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Nernst效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XY模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IV特征；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，热涨落等交换作用的描述，特别是多种运动的热力学相，多种玻璃相变，磁通脱钉及磁通蠕动规律。课题4、实用化MgB2和Bi-2212超导材料制备及磁体应用中基础科学问题经费比例：16%承担单位：西北有色金属研究院、北京大学课题负责人：闫果学术骨干：冯勇、冯庆荣、李成山预期目标：通过实用二硼化镁超导线材、高场用铋系2212超导线带材和高质量MgB2超导薄膜的制备方法的研究， 深入认识相关材料制备中相形成及演变、微结构控制等关键问题，着重提高实用超导化超导材料临界电流和临界磁场，促进并实现若干超导磁体和超导器件的实际应用，为今后相关材料的大规模实用化奠定理论和实验基础。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，2T达到105A/cm2，为研制MgB2高场超导磁体的MRI系统奠定基础。研究内容：目前MgB2和Bi2212超导材料在新型MRI、高场磁体制造和新型超导器件制备领域已有明确的应用背景。随着相关应用领域的发展对材料的超导临界参数和综合性能提出了更高的要求，本课题主要瞄准上述MgB2和Bi2212线带材制备及磁体应用中的若干关键问题，将要开展的研究内容包括：l在实用化MgB2超导材料方面：围绕高Jc、高稳定性MgB2超导线带材制备开展工作，研究元素掺杂MgB2成相规律，建立Mg-B及其元素掺杂体系实验相图。以导体结构设计和塑性加工力学过程为重点，进一步提高MgB2超导线带材的载流能力的同时提高线带材的稳定性。结合1T以上MRI系统开发，开展MgB2超导线带材磁体应用中电磁物理特性研究及优化。（1）二硼化镁及其元素掺杂体系相组分演变及控制机制。通过对常压条件下，不同惰性或还原性气氛下二硼化镁及其元素掺杂体系涉及的物理化学反应的理论分析和动力学实验，获得反应的动力学参数，揭示超导相和亚稳非超导相的分解与再结晶机理，建立相关动力学模型和实验相图，揭示控制材料微结构形态的途径。探索基于无机和有机反应途经的、新的元素掺杂引入方法以进一步提高二硼化镁超导体的Jc和Hc2等临界参数。（2）稳定化MgB2超导线带材制备基础：以改变Cu稳定体、强化材料和超导芯丝的比例为基础，改变芯导比和芯丝直径，结合多组元复合体塑性加工模拟和实验，获得导体结构对最终线带材中芯丝分布、微观结构、超导电性等的影响规律，解决长线带制备过程中的关键技术基础问题。探索HPCVD方法在不同柔性金属基带及B、C、SiC纤维上制备MgB2厚膜过程中，MgB2晶粒外延生长机制及微观结构与性能的定量关系，发展新型MgB2带材制备方法和装置。（3）MgB2超导线带材磁体应用中电磁物理特性。研究线带材稳定化机理、 多芯线材应力应变特性及强化机理，确定多芯线材加工过程中微观结构演化与缺陷形成机制和交流损耗及其控制机制等，开发高性能MgB2超导接头，真正使我们制备的二硼化镁超导导线的临界电流和临界磁场达到实用的需求，在实用的1T以上超导MRI装置上面获得应用。l在Bi2212高温超导线带材方面以提高多芯Bi-2212带材芯丝织构度和晶粒连接性为目的，通过系统研究多芯Bi2212带材熔化处理过程中的相演变规律及织构的形成机理，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，在材料研究基础上开展限定条件下2212高场内插磁体的设计。（1）熔化热处理过程中相演变规律：Bi-2212在熔化热处理过程中会产生异份熔化导致复杂的第二相产生，如Bi2Sr2CuOx(Bi-2201)、(Sr,Ca)14Cu24O41(14:24AEC)等。在冷却和低温退火阶段，这些在2212熔化分解中形成的杂相并不能完全消耗转化为2212相，而是残存在最终带（线）材中。其中与2212相形成共生结构的2201相在最终带材中含量一般可达到3-5%，使2212晶界呈现半导体特性，是非常强烈的限流缺陷，成为临界电流进一步提高的限制因素。2:1AEC相虽然含量不高，但容易长成大尺寸从而影响2212晶粒的连接和取向性，也需要加以限制。我们将利用原位X射线衍射、高温金相显微及原位中子衍射技术研究熔化过程相演变过程，并最终实现相控制目的。（2）外加磁场条件下，不同熔化状态芯丝中的2212织构形成机理研究：研究在整个芯丝截面都处在部分熔化或全熔化状态时，以及芯丝截面各部分处于不同熔化状态时，外加磁场对芯丝中心和界面区域2212晶粒取向的影响以及在降温阶段后期形成的2212对初期形成的2212织构的继承情况、银层对银/2212界面处2212晶粒生长和取向影响。在各条件下2212织构形成机理研究基础上，通过调整相关工艺参数，获得在整个芯丝截面上2212晶粒都高度取向的带材。（3）2212内插磁体的设计计算研究：Bi2212导体本身对应变比较敏感，因而高场磁体设计中应力和应变的处理非常重要。磁体中不仅有Bi2212导体，还有加强材料和较厚的绝缘材料，由于应变不同会产生相互作用，需要同时考虑多种材料的应变和应力传递。我们 将根据背景磁场强度及其均匀度要求，计算磁体的应力应变，确定线圈的组合个数和初步几何参数，在此基础上采用数值优化算法确定最佳的磁场分配比例、各分线圈确切几何参数和运行电流，完成内插磁体的计算设计和绕制。l在MgB2超导薄膜方面HPCVD是用硼烷（B2H6）和镁，气相沉积产生化学反应成膜的方法。发展这个方法的科学目标是制备适于做物理研究和制备满足多种超导器件的薄膜。HPCVD制备MgB2薄膜过程中从硼烷分解的硼和氢活性较高，易于反应并可一定程度上去氧，可使MgB2超导相在较高的Mg分压下生成，获得很高的生长速度。但是这也给高质量大面积薄膜和超薄膜制备带来一定困难，需要着重解决薄膜和超薄膜生长过程中气态反应物浓度场均匀化控制、大尺度范围内衬底与MgB2晶格失配导致薄膜生长不均匀等等。（1）在不同衬底上采用HPCVD制备高质量MgB2超导薄膜用于研究MgB2的正常态和超导态的物理性质，特别是掺杂对正常态输运性质和对超导电性的影响，确定元素掺杂和衬底材料对大面积MgB2超导薄膜生长影响规律。（2）开发并完善HPCVD制备装置，实现对Mg蒸气、B2H6等气态反应物浓度场的控制，获得高质量大面积MgB2超导薄膜，特别是厚度小于10nm的超薄膜，为相关超导器件开发提供材料支持。课题5、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经费比例：15%承担单位：中国科学院电工研究所、北京有色金属研究总院课题负责人：马衍伟学术骨干：杨坚、蔡传兵、李弢、丁发柱预期目标：制备铁基超导材料导线，并提高临界参数；解决粉末套管方法制备铁基超导材料的关键问题；探索用后砷化技术来制备铁砷超导体薄膜和厚膜。力图解决钇钡铜氧涂层导体厚化过程中的临界电流问题。使铁基超导线材在4.2K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。探索出后砷化处理的新方法来制备铁砷超导材料的薄膜和厚膜。在厚化的YBCO涂层导体超导载流能力方面实现突破，单位厘米宽的超导临界电流达到500-1000A /cm-w，液氮温度5T磁场中临界电流密度达到2x104A/cm2(77K,5T)。研究内容：新型铁基超导体作为一种新型超导材料，以其很高的上临界场、各向异性小、加工容易的显著特点，使它具有巨大的市场潜力。目前，铁基超导线带材的制备研究尚处于起步阶段，有待解决的问题还很多。因此，本课题拟围绕高性能新型铁基超导线带材制备的关键基础科学问题进行研究，努力提高铁基超导体的临界电流、磁通钉扎能力和不可逆磁场，为铁基超导材料的应用奠定坚实基础。（1）铁基超导体的成相规律研究重点分析As元素和F元素在铁基超导体合成过程中发生的反应，研究其挥发规律，有效控制铁基超导材料中各元素的比例；.通过相关的热力学和动力学分析，研究铁基超导体的成相反应动力学过程，确定优化的合成条件，最终获得成分可控、超导转变温度高、结晶性好、杂质含量低的铁基超导材料。（2）铁基超导线带材成材技术的基础问题研究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。（3）化学掺杂和重离子辐照提高铁基超导体的临界磁场和电流密度采用化学掺杂法（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。（1）铁基超导体弱连接问题的物理机制虽然铁基超导体的晶粒连接性要明显好于铜氧化物超导体，但目前制备的铁基超导块材和线带材仍普遍存在弱连接问题，导致高场下的临界电流密度非常低。造成铁基超导体晶粒弱连接的物理本质还不清楚，普遍认为有可能是由于样品密度低、杂相多或则晶界处的磁性杂质引起的。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。（2）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强磁场热处理作为一种有效的调控手段，在铜氧化物超导体的生长制备中得到了广泛应用。通过强磁场热处理改变铁基超导体的生长模式和晶粒取向，进而影响铁基超导体的微观组织结构，深入研究微观结构变化对超导性能的影响规律。在此基础上，揭示材料制备过程中强磁场的作用方式及机理。同时将化学掺杂和强磁场处理相结合，探索最适合的工艺条件。重点研究强磁场对掺杂粒子的调控作用，分析铁基超导体的电学和磁学性能，建立铁基超导体微观结构和宏观物性之间的内在联系，阐明强磁场和化学掺杂共同提高铁基超导材料性能的内在机制。（3）研究后As/Se化合成铁基超导薄膜的新方法；并基于后As/Se化制备Fe基薄膜的方法开展相关临界性能与材料结构、成分等关系的基础研究。（4）钇钡铜氧涂层导体的厚化过程中临界电流问题研究本课题从当前高温超导涂层导体发展必须面对和急需解决的基础科学问题出发，集中研究高温超导YBCO薄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。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YBCO十分接近，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YBCO涂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YBCO涂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(x)相近，并且其面密度应达到(B/2)1011/cm2(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/cm2。拟将关注一种特别的复合超导层结构：RE123/M搀杂薄膜或准多层。其中M=SrRuO3等导电型异质相，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c-axis关联的外延缺陷，进而能提高外场平行于c-axis时（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。课题6、高性能超导器件薄膜材料和超导结的研究经费比例：15%承担单位：中国科学院物理研究所、南京大学课题负责人：郑东宁学术骨干：陈健、田野、方晖、吉争鸣、王越预期目标：制备出优质的超导材料超薄膜，MgB2薄膜厚度在10纳米内，Tc大于30K；其它材料的单晶薄膜超导转变温度宽度小于0.1K，正常态表面电阻率小于0.1mW.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1mm2，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30kA/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。研究内容：由于超导体所体现的宏观量子特性，利用超导材料制备的器件具有许多常规器件不能比拟的优点，一直受到广泛的关注，已经在许多前沿领域发挥着重要甚至是不可替代的作用，并将在科学仪器，医疗技术、资源探测、大科学工程和军事等领域发挥新的作用。优质超导膜和器件的物理性质，以及超导膜和器件制备工艺和表征技术是超导材料在电子学领域应用的基础。要使超导电子器件真正走向应用，还需对超导薄膜的外延生长技术、薄膜图形成型微加工技术、结器件的设计、制备工艺和表征技术等科学问题进行深入的基础研究，有所突破和创新。同时，高质量超导薄膜和超导结的研究对于超导机理研究和超导强电应用也有很重要的启示作用。可以为超导机理提供高质量的样品，还可以制备常规条件下不能成相的亚稳相材料以及在界面形成超导电性，是探索新的超导电性材料的一种方法。超导结临界电流行为的研究对于认识超导线材中经常遇到的弱连接问题的物理本质，进而提高实用超导材料的性能特别是电流承载能力具有指导作用。本课题根据我国的实际情况和工作基础，拟围绕超导膜和超导结的制备工艺和物理及其表征技术和应用，主要开展以下几方面的基础研究工作：(1)超导膜和超导结制备工艺的基础研究针对目前的应用需求，在薄膜方面侧重在具有超导单光子探测所需的10纳米甚至更薄的超薄膜、超导结应用所需的多层薄膜和高质量的单晶薄膜（包括单晶多层薄膜）几个方面进行研究。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以及单晶薄膜生长的外延生长规律，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。 其中对于超薄膜，注意研究薄膜的生长厚度与生长模式之间的关系，研究薄膜生长条件包括温度、气氛和粒子供给率对薄膜生长模式的影响，研究薄膜与基片晶格之间的匹配和应力差、界面过渡层的引入来实现对薄膜生长模式的调控，从而实现具有良好微结构、厚度均匀的超导超薄膜。对于多层薄膜，关键在于研究获得具有平整界面的多层结构，并防止不同层之间的原子的相互化学扩散从而形成杂相的途径。根据不同需求的多层薄膜，研究界面能的变化情况，以获得好的浸润生长。研究不同的化学处理方法对界面断层的化学成分的影响，研究复杂材料的多层薄膜中，界面的化学成分对上层薄膜的生长的影响。研究利用诸如高能电子衍射等原位检测手段来实现检测多层薄膜生长过程中的界面情况，以及对于薄膜厚度的控制。对于超导/绝缘/超导这类在超导结应用中普遍涉及到的多层膜，研究原位氧化或等离子处理对超导薄膜界面的影响，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，以利于设计和制备新的薄膜型超导结。对于单晶薄膜的生长，研究薄膜的生长条件与结晶性和微观结构（如位错、缺陷）之间的关系，利用电子显微镜、低能电子衍射以及X光衍射等多种技术对薄膜的结构进行表征，系统地摸索工艺条件，结合对薄膜成相和生长规律的认识，以获得具有高度结晶性能的单晶薄膜和单晶多层薄膜。在超导结制备的相关基础研究中，在理论计算、模型设计的前提下研究设计根据不同应用需要的超导结参数。系统研究传统超导结制备技术中的工艺条件和参数对结的性能的影响，结合理论模型分析，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。同时，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。(2)超导膜和结的物理特性研究 研究制备的超导膜和超导结的物理性质，包括在超导态和正常态的电磁性质，包括在直流状态、高频（微波或太赫兹波段）电磁场中的特性以及与光子的相互作应的特性。这些研究结果一方面为薄膜和结的制备工艺的调整优化提供必要的信息，同时也为进一步的器件应用研究奠定基础。针对超导单光子探测这一重要应用，研究超薄膜的临界温度和超导能隙等随膜厚变化的物理机理。通过分析临界温度和超导能隙与薄膜厚度的关系，探讨在超薄膜中抑制超导电性的可能机制，与材料、制备参数以及结构的关系，从而寻求提高薄膜器件的量子效率的途径。针对灵敏探测应用背景，研究超导结中薄膜和结区的结构特征以及缺陷对关键性质（如器件的噪声水平、量子消相干时间）的影响，以达到提高器件的性能，探索新的应用的目的。利用薄膜可以获得一些在体样品中不能得到的亚稳相以及在多层膜界面处会出现具有新特性的界面层，研究薄膜以及多层薄膜界面的性质也将是一个重要的内容，并有可能对新超导体的探索提供启示。(3)新型超导结器件和应用的探索研究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，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。 四、年度计划研究内容预期目标第一年广泛探索新的超导材料，争取发现新结构的超导材料。对现有铁基超导体系进行系统的结构表征、系统研究和深入分析，并改善现有合成工艺，合成出高质量的单晶，用后砷化处理制备铁系超导体薄膜，展开输运、高精度比热和隧道谱学的研究，研究配对对称性，探明超导电性、磁性以及其他性质如重费密子态之间的相互竞争关系。对铜氧化物超导单晶在欠掺杂区的电子态和热力学进行仔细研究，探索超导能隙。完善物理化学气相沉积制备装置，为高质量二硼化镁超导薄膜的生长打好基础。优化的合成条件，初步开展铁基超导线带材的制备工艺研究。制备不同厚度钇钡铜氧超导薄膜，研究由于制备技术的变化所造成的薄膜的连续性和表面平整度变化，为制备平整高质量的优质薄膜做好准备。同时对其他薄膜进行生长过程和规律进行探索，并对超薄纳米线中的性质进行研究。1.确定一些铁基超导体中的重点研究体系，了解成相规律，制定研究探索方案，根据各种材料的特点建立相应的实验条件。2.制备出更多系列的高质量铁基超导单晶体，建立和完善必要的研究手段，如转角比热、各种谱学研究手段等。3.建立MgB2及其元素掺杂体系成相的物理化学过程模型，确定粉末物理化学特性对成相反应途径和孔洞生成的影响，获得物理化学气相沉积（HPCVD）方法制备MgB2超导厚膜及大面积薄膜技术和装置。4.对后砷化处理制备铁基超导体薄膜进行探索性尝试，开始相图的摸索。5.获得Bi2212线带材熔化处理过程中的相演变规律，获得杂相成分与含量关键控制参数。通过热力学、动力学分析与实验结果，确定最佳的制备条件，并结合线带材制备工艺特点，获得制备铁基超导导线的前驱粉各组分配比和混合工艺的优化参数。6.获得一系列YBCO薄膜及其涂层导体的超导临界电流对薄膜厚度的依赖关系。7.明确金属超导薄膜生长局域化织构与生长速率和厚度增加之间的相互关系。本年度发表学术论文40篇以上，影响因子3以上的论文15篇以上,申报专利3项以上。 第二年在3d和4d过渡金属化合物中探索新的非常规超导体系，努力获得新的进展，并伴随新材料的出现进行基本输运性质的测量。对一些有特点的新型材料进行样品的系列单晶制备，挑选典型样品进行深入的物性测量和基本结构分析，对铁基超导体的多带性、配对机制、量子相变和临界行为展开研究。同时开展铜氧化物赝能隙区域的输运以及低能激发的研究，并努力构造物理图象。研究铁基超导材料低温烧结工艺，降低铁基超导线带材的退火温度。研究不同衬底材料上制备MgB2膜的生长过程及相关物理特性，探柔性基带制备上MgB2膜的新方法。不同基片上生长铁基“111”系“122”系薄膜，并用后砷化制备“1111”系铁基超导体薄膜，以及对后砷化制备的薄膜应力控制和薄膜微结构、物性与制备条件的关系研究。对不同厚度YBCO超导薄膜进行位错分布和应力状况观察，研究厚度对生长模式的影响，研究超导薄膜微纳米结构加工、表征技术等方面的基础和关键科学问题。1.对铁基超导进行进一步探索，努力发现一些新的超导材料；制备出更多系列的高质量高温超导单晶。2.完善并使用有自己特色的先进的实验手段对超导进行研究，从微观层面直接获得超导配对强度和能隙对称性的信息，揭示氧化物超导体的超导涨落区大小，铁基超导体的凝聚特性，载流子浓度和配对强度随掺杂浓度的关系。3.制备出MgB2超导线带材，在20K下其临界磁场达到5T以上，临界电流密度达到105A/cm2，并制备出厚度小于10nm、Tc大于30K的高质量MgB2薄膜。4.尝试制备铁基超导体薄膜的新方法，并得到初步样品。5.获得高JcBi2212超导线材制备最佳参数，制备出百米级Bi2212超导线带材。获得化学掺杂和离子辐照对晶粒连接性产生影响物理机制，提出改善晶粒连接性的研究方向，掌握铁基超导线带材的低温烧结工艺。6.明确钇钡铜氧涂层导体厚度增加、生长模式演变和应力释放等之间的相互影响关系.7.获得极薄非超导层掺入后，薄膜超导电性和临界电流的变化规律，制备亚微米尺寸的高性能超导结，稳定工艺，为的高性能的超导结型器件的制备做好准备。本年度发表学术论文40篇，影响因子3以上的论文15篇以上,申报专利3项以上。 第三年进一步寻找新型超导材料。如果顺利地找到了新型材料，我们可以率先开展很多物性研究。进行超导单晶质量的优化，获得多系列不同掺杂的高温超导单晶。开展赝能隙区域的扫描隧道谱实验，力图探明赝能隙与局域电子态密度的关系。探索HPCVD方法在不同柔性金属基带及B、C、SiC纤维上制备MgB2厚膜过程中，MgB2晶粒外延生长机制及微观结构与性能的定量关系。研究在芯丝处在部分熔化或全熔化状态时外加磁场对芯丝中心和界面区域2212晶粒取向的影响以及在降温阶段后期形成的2212对初期形成的2212织构的继承情况、银层对银/2212界面处2212晶粒生长和取向影响。以粉末装管技术为框架，针对铁基超导线带材制备的工艺特点，优化化学掺杂在线带材制备过程中的工艺参数。单晶氧化物基片上后砷化制备铁砷超导薄膜的取向和织构控制技术研究；表面缺陷、体缺陷、界面态的表征及其对薄膜物性的影响和缺陷控制研究。采用多种分析测试手段，观察不同厚度非超导层插入后的YBCO层剖面微结构和超导电性特征。进行新型超导膜及其超导隧道器件的研究。1.明确新型超导系统可能出现的几个材料系统，改进实验技术，确定新超导体的基本成相规律。2.在铁基超导体的基态特性和相图研究中做出系统的工作。对铁基超导体和氧化物超导体在低能激发方面的异同作出判断。判明是否有量子临界特性，以及欠掺杂到过掺杂超导的演变规律；探明铁基超导体中超导与反铁磁的关系。3.批量制备出千米级MgB2超导线带材，其工程临界电流密度在20K，2T达到2×104A/cm2；获得不同衬底上MgB2外延生长规律，制备出高质量MgB2薄膜和厚膜4.用后砷化技术制备出具有外延性质的铁砷超导材料薄膜，1111体系达到50K以上的转变温度。5.制备出具有较高性能的铁基超导线带材，其临界磁场达到100T以上。6.分析钇钡铜氧涂层导体的性质，获得超导厚度增加对微结构影响的特征和机制。本年度发表学术论文40篇，影响因子3以上的论文15篇以上,申报专利3项以上。第四年制备一批高质量多晶和单晶超导样品，对样品进行深入系统的结构和物理研究，加强国际交流合作。对非常规超导材料从多角度进行研究，争取获得有关机理方面的重要实验结果，努力构建较普适的高温超导图象。研究铁基超导体超导压制后的基态行为和关联特性，对反铁磁序与超导的关系有深入的理解。利用微观手段（STM和磁力显微镜技术）来研究磁通动力学和单根涡旋芯的物理。在不同衬底上采用HPCVD制备高质量MgB2超导薄膜，研究MgB21.制备一批高质量的新型超导体单晶，对超导相的本征物理性质深入分析。基于这些新材料，改进实验技术，确定超导体的基本成相规律。2.争取在新型非常规材料研究方面有重要进展。寻找到铜氧化物超导体和铁基超导体的共同特征，并向其他系统推广。在反铁磁背景超导体的机理研究方面有重要进展，并找出规律，给探索新型超导体提供指导。3.获得满足实用化要求千米级MgB2 的正常态和超导态的物理性质，特别是掺杂对正常态输运性质和对超导电性的影响。通对过不同条件下Bi2212织构形成机理的研究，通过调整相关工艺参数，开展在整个芯丝截面上Bi2212晶粒都高度取向的带材制备。全面开展铁基超导体弱连接问题的物理机制分析，研究强磁场对掺杂粒子的调控作用，阐明强磁场和化学掺杂共同提高铁基超导材料性能的内在机制。不同工艺条件及应力状态(晶格失配度、厚度化等)对后砷化制备铁基超导薄膜临界电流密度影响研究；磁场特性及其影响因素研究。在超导厚膜中建立高密度的异质相，研究YBCO涂层导体厚膜临界电流密度对磁场的依赖关系；制备具有平整界面的多层薄膜，研究多层薄膜的超导性能。超导器件用单晶多层膜和基于多层膜的超导结制备和物性及应用研究。超导线带材稳定化机理及控制方法，制备出满足MRI应用要求的1.0T以上高稳定、高均匀磁体；确定元素掺杂和衬底材料对大面积MgB2超导薄膜生长影响规律。4.获得冷压、热压工艺的优化参数，制备具有较高致密性和一定织构化的铁基超导线带材，4.2K条件下，临界电流密度达到5×104A/cm2；同时获得5-10米具有较高临界磁场和电流密度的铁基超导线带材。5.获得外加磁场对高JcBi2212超导线材成相及织构生长的影响规律，制备出高JcBi2212超导线带材。6.掌握YBCO涂层导体微结构和生长模式的人工调制技术，探索出一条抑制超导厚度效应的有效途径；在超导厚膜中建立高密度的人工钉扎中心，提高YBCO涂层导体厚膜磁场下的载流能力，磁场中临界电流密度达到2×104A/cm2(77K,5T)。7.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金属Nb结和金属Al结，实现结参数的基本可控，并能够稳定工艺，为基础和应用研究打好基础。在此基础上开展介观超导体和器件中的物理性质，制备出高效率超导单光子探测器。本年度发表学术论文40篇以上，影响因子3以上的论文20篇，申报专利3项以上。 第五年系统分析各个新材料系统所取得的新结果，总结结构和物理性能之间的关系，关注出现超导电性的新型材料系统，深入分析其本征物理性质。结合大量实验数据，提出理论模型来解释高温超导机理。对铁基超导材料的机理做出重要和奠定性实验，解决铁基超导体的机制问题。另外，在研究磁通动力学的基础上对可能的应用进行探讨。研究MgB2超导线带材稳定化关键参数与线带材制备参数之间的关系，开展超导接头的研制和相关电磁物理特性研究；根据25T全超导磁体背景磁场强度及其均匀度要求，计算Bi2212磁体的应力应变，确定Bi2212线圈的组合个数和初步几何参数，在此基础上采用数值优化算法确定最佳的磁场分配比例、各分线圈确切几何参数和运行电流。在前四年研究基础上，系统总结研究发现，基本建立机械加工、化学掺杂、冷压、热压和强磁场处理相结合的高性能铁基超导线带材的设计、理论模拟和性能机理研究方法，实现高性能铁基超导线带材的优化制备，为进一步提高其临界特性、促进其实际应用奠定坚实基础。后砷化处理制备工艺的优化筛选；临界电流密度和磁场特性优化研究；大面积薄膜制备工艺及其性能均匀化研究。总结不同组份结构YBCO涂层导体薄膜厚度对超导临界电流的影响规律；优选超导电性和织构性能俱佳的样品，重点研究它们厚化后的超导载流特性。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。寻找最佳制备工艺，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。1.在已经取得的研究工作基础上，对重点新型超导系统进行深入研究，系统分析其结构和物理性质。2.总结前期的实验数据，努力提出自己的模型和物理图象，解释高温超导机理问题。归纳新型非常规超导材料研究结果，争取对反铁磁为背景的新型超导体系统有深入的认识。3.获得低损耗MgB2超导线材强化机制及方法，制备出触点电阻满足闭环运行要求的MgB2超导接头，实现MRI用MgB2磁体的闭环运行。4.制备高性能铁基超导线材，在4.2K条件下，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。5.完成25T全超导磁体用Bi2212内插磁体的计算，以及导线需求。6.明确YBCO涂层导体薄膜厚度对微结构和超导临界电流的影响规律及其物理机制；在厚化的YBCO涂层导体超导载流能力方面实现突破，单位厘米宽的超导临界电流达到500-1000A/cm-w。7.在技术上实现亚微米尺度本征结和全Nb结SQUID的制备，并能够稳定工艺。制备出厚度为10纳米以内的亚微米尺寸的高性能MgB2超导器件。在技术上实现全单晶的超导隧道结并用于前沿领域。做好项目的总结工作。最后做好项目的总结工作。本年度发表学术论文40篇，影响因子3以上的论文15篇以上，申报专利5项以上。 一、研究内容从总体上说本项目针对未来可引发电力工业革命的超导技术，开展旨在提高超导材料的三个重要临界参数（临界温度，临界磁场和临界电流）的研究，包括两个相互联系、前后承接的方面：（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，非常规超导材料制备和机理问题，以及磁通钉扎和磁通动力学问题，这里我们重点加强非常规超导机理的研究；（2）实用超导材料基础科学问题：提高二硼化镁超导体、铁基超导体,Bi2212超导体和钇钡铜氧涂层导体厚膜的临界电流和临界磁场，针对未来超导电子器件的高质量超导薄膜制备。拟解决的关键科学问题包括：1．利用多种有特色的研究手段，在非常规机理认知的过程中做出重要甚至是奠定性的工作，努力提出新模型和物理图象直至解决铜氧化合物和铁基超导体的机理问题；在反铁磁竞争序为基础的新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。2．探索新的高温超导材料，努力合成出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响的工作。3．研究并提高实用超导体的临界电流、磁通钉扎能力和不可逆磁场。重点关注二硼化镁超导线材，铁基超导线带材,高场用铋系2212超导带（线）材、钇钡铜氧涂层导体厚膜的临界电流问题，提高磁通钉扎力和临界磁场，并且制备优质超导薄膜，促进应用发展。新超导材料探索是基础，寻找到任何有重要科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。而非常规超导机制等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，也是本期项目的研究重点。因为超导基础研究无非有两个根本的目标：要么在基础科学研究，如非电子-声子耦合的超导机制 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。比如在反铁磁竞争序超导体中，当反铁磁序被压制掉以后，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。解决实用超导材料的临界磁场和临界电流问题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。为了解决我国未来能源（液氮温度储能，变电和输电等）的突出问题，在众多的超导应用材料中，我们选择集前瞻性、基础性和先进性于一体，而且对未来应用普遍看好的核心材料，包括二硼化镁超导线材，Bi-2212圆线材料，铁基超导线带材，钇钡铜氧涂层导体厚膜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，我们将开展超导薄膜材料和亚微米超导结的制备，研究其基本物理问题。因此本项目以新超导材料探索为基础，以研究非常规超导机理为重点，同时研究限制应用的关键问题，以解决应用中关键科学问题为目的，本着有所为，有所不为的思路，认真选择课题并精心组织队伍开展研究。主要研究内容包括：I.超导基础材料科学和物理问题研究本方向的目标或要解决的关键科学问题：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（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。以高质量的材料为基础研究超导机理问题，重点研究非电声子耦合的新超导机制， 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，努力找出规律，给探索新型超导体提供指导。同时本方向还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。本方向的主要研究内容包括：1.新超导材料的探索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一个重要课题。找到任何一种新型实用的超导材料，都会对科学和技术带来巨大的促进。我国自从1986年独立发现钇钡铜氧超导体后，也在新型超导材料方面作过很多努力，如在铜氧化合物和铁基超导体系基础上进行一些化学掺杂或压力调整，发现了很多新的具有一定科学意义的超导体。但是迄今我们尚未发现全新型的超导体系。这方面我们要利用以前丰厚的知识积累，在尝试以下方面开展新型超导体的探索，同时研究新型超导体的结构和物理性能表征：在含有铁砷层的各类层状化合物中，在相关体系中探索新的超导材料；关联氧化物体系，重点开展掺杂Mott绝缘体中的超导电性；新型轻元素超导体的探索；过渡金属化合物新型超导体的探索性合成研究；高压合成更高转变温度的铜氧化物超导体；。如前所述，对于铁基超导材料，目前已经发现了6种主要结构，分别是：11（FeSe），111（LiFeAs），122((Ba,Sr)Fe2As2)，1111(如F-SmFeAsO)，32522（Sr3Sc2O5Fe2As2）和21311（Sr2VO3FeAs）。目前已经知道，只要有一种新的结构，就对应一个新的超导转变温度。我们力图发现这6种之外的新结构超导材料，争取获得更高温度新铁基超导体。对于过渡金属化合物新型超导体的探索性合成研究： 很多过渡金属氧化物表现出复杂的磁性和电子输运特性。主要原因是这些材料中电子关联性很强，同时具有自旋-轨道-电荷的多重自由度，在这样一种系统中，往往有多种基态，其能量很接近。通过化学掺杂，压力，加电、磁场等手段，可以对这些能量相近的态进行调节。在这些基态中，往往形成一些有趣基态，如自旋量子液体，其电子的输运行为也表现出非费米液体行为，甚至出现超导电性。我们拟在研究非常规超导机制的同时合成一些过渡金属化合物，包括氧化物、硫化物等。这些材料中的d轨道电子一般局域性很强，导致轨道有序相的出现，同时电子之间的关联性也很强，可能导致非常规超导电性。我们初步计划在Ti，Fe，Ni，Co和Cu五种金属化合物着手开展合成研究，尤其是关注d轨道刚刚填充电子的情况，如Ti的3d1离子态化合物，或即将填满的一些离子态，如Cu3d9态和Fe3d5-7态化合物。在材料配位方面，我们计划利用碱金属（或碱土金属和稀土金属）与氧硫族元素，和过渡金属元素一起合成三元化合物。在此类化合物中有很多具有奇异特性的新型超导体。对于高压合成更高转变温度的铜氧化物超导体：从含单层铜氧面的214型A2CuO3+d（A为碱土元素及其组合）超导体出发，利用高压高温合成研制顶角氧掺杂型的铜氧化物高温超导体，通过对载流子浓度和电荷库有序化的综合优化在铜氧化物中实现更高超导转变温度。研究以顶角氧为代表的掺杂子分布及其含量随温度和压力的动态演化，提出相应的结构模型，为在高温区的超导应用提供指导。2.铁基超导体的配对机制，以及磁通运动，输运性质和热电性质和量子临界性的研究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，甚至有些实验事实与这个图像相违背。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M点费米面上的能隙状态不清楚。超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±的图像似乎有矛盾，需要新的理解。因此在铁基超导机理方面，关于配对对称性方面的研究刚刚开始，远远没有达到清楚的地步。我们将利用多种实验手段对此问题进行探究。 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。利用元素替代方法寻找新的铁基超导体，提高超导临界温度。另外，通过掺杂非磁性杂质（如Zn元素），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。研究含Ce的铁基化合物的相图和基态演化，深入探讨层间d-f耦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Eu的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。利用热电势和Nernst效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。3.氧化物超导体的超导能隙、凝聚能和转变温度关系研究氧化物高温超导机理是一个极具挑战性的课题，表现出了极为丰富的新的研究内容。目前配对机制基本上可以分为三个模型：（1）强电子配对的共振价键模型（RVB，P.W.Anderson,T.M.Rice最早提出，得到P.Lee，X.G.Wen等后续发展）；（2）反铁磁自旋涨落作为配对媒介的理论模型(以D.Pine和D.Scalapino等提出，后得到众多人发展)的有理论预言；（3）声子为媒介的配对模型。目前声子为媒介的模型越来越少得到支持，而实验更多地支持在前两个模型，即磁起源的模型上面。我们前期的工作证明了氧化物超导电性为非BCS型凝聚，基本上可以用强配对和低载流子浓度的图像加以描述。下一步我们拟测量输运特性、低能激发、隧道谱和微波谐振，然后辨明其超导能隙，赝能隙和凝聚能之间的关系。同时，利用我们自主研制的国际第一台超高能量分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，对高温超导体（主要包括铜氧化物高温超导体和铁基超导体）以及其它新型超导材料的电子结构进行研究，以理解超导电性的机制和奇异正常态的产生原因，为检验、激励和建立新的理论提供关键的信息，为探索高临界温度超导体提供指导。4.铁基超导体的磁通钉扎、临界电流研究铁基超导体的上临界此处很高，因此强磁场下应用的前景比较乐观。【Y.Jiaetal.,APPLIEDPHYSICSLETTERS93,032503(2008). 】然而，前期的研究表明，磁通运动仍然比较剧烈，磁通运动似乎是通过集体钉扎的模式进行的，这与氧化物超导体中的规律类似【H.Yang,etal.,APPLIEDPHYSICSLETTERS93,142506（2008）】。因此，要实现真正的应用，我们需要深入研究磁通动力学和相图。在提高临界温度的同时，努力提高临界此处和临界电流。在铁基超导体磁通理论方面，拟以电流驱动的柱状缺陷的三维各向异性XY模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IV特征；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，热涨落等交换作用的描述，特别是多种运动的热力学相，多种玻璃相变，磁通脱钉及磁通蠕动规律。5.拓扑超导体的研究我们将研究拓扑绝缘体，拓扑超导体和传统材料之间的联系，特别是和量子相干特性有关的联系。我们将首先从理论上提出一些设想来检验这些预期的电子特性，并期望在条件成熟时通过实验来验证它们，从而取得对这些材料的进一步理解。注意到拓扑绝缘体及拓扑超导体和传统绝缘体及传统超导体的区别来源于量子效应。我们还将利用压力等手段来改变原子间距，从而实现对拓扑态的调控，研究体系从拓扑绝缘态进入超导态的过程。从A2B3型拓扑绝缘体出发，结合理论预测和组分、压力、温度调控，探索基于拓扑超导体的新效应。II.提高实用超导材料的临界电流和临界磁场本方向的目标或要解决的关键科学问题：通过实用二硼化镁超导线材、高场用铋系2212超导线带材和高质量MgB2超导薄膜的制备方法的研究，深入认识相关材料制备中相形成及演变、微结构控制等关键问题，着重提高实用超导化超导材料临界电流和临界磁场，促进并实现若干超导磁体和超导器件的实际应用，为今后相关材料的大规模实用化奠定理论和实验基础。 同时，制备铁基超导材料导线，并提高临界参数；解决粉末套管方法制备铁基超导材料的关键问题；探索用后砷化技术来制备铁砷超导体薄膜和厚膜。力图解决钇钡铜氧涂层导体厚化过程中的的临界电流问题。为制作超导薄膜器件的需要，探寻优质薄膜材料的生长机制，找出单晶、超薄膜和多层膜的成相规律并建立模型；优质铁基超导膜和结器件的制备技术；超导膜在高频和弱磁场下的响应机理；与超导膜尺寸有关的电磁特性和噪声特性；超薄纳米线条中的超导涨落和超导转变的模型和机理；超导多层薄膜生长过程中的原位监测技术；亚微米和纳米尺度上的微加工工艺摸索和优化及其表征技术。本方向的主要研究内容包括：1.在实用化MgB2超导材料方面：围绕高Jc、高稳定性MgB2超导线带材制备开展工作，研究元素掺杂MgB2成相规律，建立Mg-B及其元素掺杂体系实验相图。以导体结构设计和塑性加工力学过程为重点，进一步提高MgB2超导线带材的载流能力的同时提高线带材的稳定性。结合1T以上MRI系统开发，开展MgB2超导线带材磁体应用中电磁物理特性研究及优化。l二硼化镁及其元素掺杂体系相组分演变及控制机制。通过对常压条件下，不同惰性或还原性气氛下二硼化镁及其元素掺杂体系涉及的物理化学反应的理论分析和动力学实验，获得反应的动力学参数，揭示超导相和亚稳非超导相的分解与再结晶机理，建立相关动力学模型和实验相图，揭示控制材料微结构形态的途径。探索基于无机和有机反应途经的、新的元素掺杂引入方法以进一步提高二硼化镁超导体的Jc和Hc2等临界参数。l稳定化MgB2超导线带材制备基础：以改变Cu稳定体、强化材料和超导芯丝的比例为基础，改变芯导比和芯丝直径，结合多组元复合体塑性加工模拟和实验，获得导体结构对最终线带材中芯丝分布、微观结构、超导电性等的影响规律，解决长线带制备过程中的关键技术基础问题。探索HPCVD方法在不同柔性金属基带及B、C、SiC纤维上制备MgB2厚膜过程中，MgB2晶粒外延生长机制及微观结构与性能的定量关系，发展新型MgB2带材制备方法和装置。lMgB2超导线带材磁体应用中电磁物理特性。研究线带材稳定化机理、多芯线材应力应变特性及强化机理，确定 多芯线材加工过程中微观结构演化与缺陷形成机制和交流损耗及其控制机制等，开发高性能MgB2超导接头，真正使我们制备的二硼化镁超导导线的临界电流和临界磁场达到实用的需求，在实用的1T以上超导MRI装置上面获得应用。2.在Bi2212高温超导线带材方面以提高多芯Bi-2212带材芯丝织构度和晶粒连接性为目的，通过系统研究多芯Bi2212带材熔化处理过程中的相演变规律及织构的形成机理，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，在材料研究基础上开展限定条件下2212高场内插磁体的设计。l粉末套管法（PIT）和磁场熔化法（MMP）相结合的Bi-2212带材工艺制备技术基础：完成包括前驱粉制备、多芯线带材加工和磁场熔化处理制备技术研究，获得可稳定制备2212长导体的完整技术。l熔化热处理过程中相演变规律：Bi2212导体中心区域通常残余大量第二相，使2212晶界呈现半导体特性，是非常强烈的限流缺陷。本项目参与单位将对复杂的2212导体异份熔化行为进行研究，确定熔化热处理过程中各种第二相演化的物理化学过程，综合利用热力学平衡和动力学亚稳定条件，最大限度地使液相转化为2212相，减少和控制冷却过程中2201、AEC相和其它杂相的形成与长大。l外加磁场条件下，熔化热处理过程中2212织构形成机理研究：Bi2212导体仅靠近银层处存在高织构区域，如何将高织构区域从2212/Ag界面扩展到氧化芯中部是目前该类材料研究的重点，这需要深入研究并理解这一多元相体系的相演变机理和晶粒织构化过程。磁场熔化工艺对诱导高Tc超导体的二维片状晶粒织构化生长非常有效，本项目参与单位将研究外加磁场和银层对Bi2212多芯导体不同区域织构化过程的综合影响，获得在整个芯丝截面上2212晶粒都高度取向的带材。l2212内插磁体的设计计算研究：本项目参与单位将根据背景磁场强度及其均匀度要求，计算磁体的应力应变，确定线圈的组合个数和初步几何参数，在此基础上采用数值优化算法确定最佳的磁场分配比例、各分线圈确切几何参数和运行电流，完成内插磁体的计算设计和绕制。 3.在MgB2超导薄膜方面我们前期基于对Mg－B系统热力学的分析，提出了用硼烷（B2H6）和镁，气相沉积产生化学反应成膜的方法。发展这个方法的科学目标是制备适于做物理研究和制备满足多种超导器件的薄膜。HPCVD制备MgB2薄膜过程中从硼烷分解的硼和氢活性较高，易于反应并可一定程度上去氧，可使MgB2超导相在较高的Mg分压下生成，获得很高的生长速度。但是这也给高质量大面积薄膜和超薄膜制备带来一定困难，需要着重解决薄膜和超薄膜生长过程中气态反应物浓度场均匀化控制、大尺度范围内衬底与MgB2晶格失配导致薄膜生长不均匀等等。l在不同衬底上采用HPCVD制备高质量MgB2超导薄膜用于研究MgB2的正常态和超导态的物理性质，特别是掺杂对正常态输运性质和对超导电性的影响，确定元素掺杂和衬底材料对大面积MgB2超导薄膜生长影响规律。l开发并完善HPCVD制备装置，实现对Mg蒸气、B2H6等气态反应物浓度场的控制，获得高质量大面积MgB2超导薄膜，特别是厚度小于10nm的超薄膜，为相关超导器件开发提供材料支持。4.铁基超导体的成相规律研究掌握超导材料的成相规律是制备高性能超导材料的前提和基础。由于铁基超导材料由多种元素组成，晶体结构复杂，并且含有As、F等易挥发元素，影响成相的因素比较多，因此铁基超导体成相规律的研究具有十分重要的意义。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。5.铁基超导线带材成材技术的基础问题研究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。6.化学掺杂和重离子辐照提高铁基超导体的临界磁场和电流密度采用化学掺杂法（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。7．铁基超导体弱连接问题的物理机制虽然铁基超导体的晶粒连接性要明显好于铜氧化物超导体，但目前制备的铁基超导块材和线带材仍普遍存在弱连接问题，导致高场下的临界电流密度非常低。造成铁基超导体晶粒弱连接的物理本质还不清楚，普遍认为有可能是由于样品密度低、杂相多或者晶界处的磁性杂质引起的。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。 强磁场热处理作为一种有效的调控手段，在铜氧化物超导体的生长制备中得到了广泛应用。通过强磁场热处理改变铁基超导体的生长模式和晶粒取向，进而影响铁基超导体的微观组织结构，深入研究微观结构变化对超导性能的影响规律。同时将化学掺杂和强磁场处理相结合，探索最适合的工艺条件。重点研究强磁场对掺杂粒子的调控作用，分析铁基超导体的电学和磁学性能，建立铁基超导体微观结构和宏观物性之间的内在联系，阐明强磁场和化学掺杂共同提高铁基超导材料性能的内在机制。8.探索用后砷化技术制备铁砷超导体薄膜和厚膜基于Fe系超导材料的实用化目标，采用先驱薄膜的后As/Se化处理的新方法，制备出具有高临界参数的Fe系超导薄膜材料；探索最优化制备条件，为Fe系超导薄膜的无害化、低污染化制备提供解决方案。同时，基于后As/Se化制备Fe系超导薄膜的工艺、结构和性能可控性研究，在临界参数与超导相演化的热力学、动力学及结构与性能等关系方面进行深入探索，期待能够为相关机理研究提供新的发现和实验证据。9.钇钡铜氧涂层导体厚化过程中的临界电流问题研究针对高温超导YBCO薄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，开展如下一些研究：（1）深入研究YBCO薄膜及其涂层导体的超导临界电流对薄膜厚度的依赖关系，特别关注局域化织构、生长模式、生长速率和应力等之间的相互影响；明确材料微结构变化对超导临界电流密度变化的影响规律及其物理机制。（2）通过设计独特的人工周期性结构，探索一条以增加薄膜厚度提高YBCO涂层导体单位宽临界电流的有效途径。研究极薄非超导层掺入后，薄膜超导电性可能出现的维度跳跃现象等问题。（3）在厚膜中引入和建立高密度的人工钉扎中心，提高YBCO涂层导体的磁场下的超导载流能力，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。10.围绕高性能超导器件所需的优质薄膜材料、多层膜和超导结的制备、加工及相关的材料和物理问题 在研究中注意两个方面：第一个是相关的共性科学问题，如超导薄膜的外延生长机制、成相规律、薄膜生长的原位检测技术、薄膜的生长工艺条件和薄膜微观结构以及器件性能之间的关系问题。第二是针对实际的器件应用背景开展研究，以使研究成果能够在高性能器件制备中得以充分体现。具体的研究包括：（1）以实现高效率超导单光子探测器为主线，研究超薄膜的合成制备、微纳米结构加工、光学响应机理和特性、表征技术等方面的基础和关键科学问题。包括：MgB2、NbN和NbTiN等外延超薄膜（厚度为5-40nm）的生长过程和规律及其微纳米加工和表征技术；超薄纳米线条的光子响应机制及其和器件结构、光源强度等之间的关系；超薄纳米线条中的超导涨落和超导转变特性，与理论对照，鉴别其超导转变机制；其它超导材料的超薄膜在单光子探测器件方面的应用探索。（2）新型超导膜及其超导隧道器件的研究。包括：优质铁基超导薄膜的制备、加工和表征；沿着c方向的约瑟夫森结的制备和表征；铁基超导材料真实的隧道谱观测及其与高温超导体的比较；铁基超导器件的宏观量子隧穿的研究。（3）超导器件用单晶多层膜和基于多层膜的超导结制备和物性及应用研究。包括：高性能超导器件单晶多层膜的制备、加工和有效表征；基于多层膜的高性能超导结制备和物理性质研究；界面超导电性和新型超导结以及优质超导器件的应用探索。