高温超导材料论文

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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。 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。（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：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：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。 （1）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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）钇钡铜氧涂层导体的厚化过程中临界电流问题研究 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：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。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。 1．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。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。