铁磁/超导有序阵列膜可控合成及磁阵列多参量调控超导电性研究

In ferromagnet/superconductor (F/S) hybrid structured, how to modulate superconductivity by artificial magnetic arrays has not only important research aspects, but also potential application for superconducting devices. In this project, we plan to investigate on this topic. Based on our previous research effort, by using versatile colloidal lithography, some ferromagnetic arrays like Co and Ni with different shapes, such as ring, shell and porous film, will construct on Nb superconducting film. We will investigate the influence of different fabrication parameters on the shape and size of ferromagnetic arrays, and analyze the growth mechanism to realize selective control of structure and shape. Further, we will develop a control method to tune the period, size, distance and thickness of ferromagnetic array in a large scale from 10 nm to 10 m. By selective control of the structural parameter, such as period, shape, size and distance, we will investigate the influence of each structural parameter of magnetic arrays on superconducting properties of hybrid structures. Then, we will study the influence of structural parameters on magnetic domain, and explore the relationship between magnetic domain and superconducting properties, and the magnetic interaction between ferromagnetic array and Nb film in its superconducting state. By discussing the relationship between superconducting and magnetic properties, and structural parameter of ferromagnetic arrays, we try to reveal the inherent mechanism. The objective of this project is to explore an effective way to modulate the superconductivity of Nb films. This work will help understand the interaction between ferromagnet and superconductor, and the application for future superconducting devices as well.

如何利用人工制备的磁性周期结构对超导序参量进行调控是一个既富含科学内容，又有望开发出器件应用的重要分支方向，本项申请拟针对这个科学问题开展研究。基于申请者前期工作基础，通过胶体晶体模板法在Nb超导薄膜上构筑各种形貌（如球、环、孔等）的金属磁性（Co、Ni等）阵列，探索不同制备工艺参数对磁性阵列尺寸、形貌和间距等结构参量的影响，发展一种可大范围（从几十纳米到几微米）调控磁性阵列结构参量的方法；通过对磁性阵列周期、间距、形貌、厚度等结构参量的选择性调控，研究不同结构参量的变化对超导输运性能影响，探索多结构参量调控超导电性的有效途径；研究磁性阵列结构参量同其磁畴状态之间的关系，进一步探究铁磁序参量和超导序参量之间相互作用的内在机理，对铁磁/超导相互作用机理研究及超导器件实用化具有重要意义。

如何利用人工制备的磁性周期结构对超导序参量进行调控是一个既富含科学内容，又有望开发出器件应用的重要分支方向，本项申请就是针对这个科学问题开展研究。基于聚苯乙烯（PS）胶体晶体模板，我们提出了基于单层胶体晶体的逐步法合成二元阵列的新策略，即将溶液浸渍法和物理气相沉积法结合，成功合成了环/孔、环/三角状、孔/柱等不同形态的异质二元纳米阵列，通过实验探索，实现了二元阵列结构参数的大范围调控。基于前期合成方法，制备了Co/Nb、PS/Nb等复合阵列。在PS/Nb阵列，聚苯乙烯为六角阵列置于Nb薄膜之上，基于聚苯乙烯和Nb薄膜之间热胀冷缩的差，可以提升Nb薄膜的临界电流密度，如在超导转变温度0.995 TC处，电流密度可以提升约1000%。该方法可以作为超导薄膜的电流过载的保护手段，以防止超导器件由于电流过大或磁场多大而损坏。在Co/Nb阵列中发现，在I-V曲线超导转变区域发现电阻在超导态和正常态之间存在二元震荡现象，该研究结果对低功耗电子器件的设计，具有重要的意义。基于本项目制备方法，我们合成了Si和SiO2纳米阵列，研究表明微结构尺寸同光吸收/光透过方面具有很好的定量关系，如我们在硅阵列中发现了双四分之一波长共振现象，可以在紫外-可见-近红外定量调控光吸收的峰值(200-2400 nm)和强度（光吸收>99%）；在SiO2阵列球壳阵列中发现其不仅具有十分优异的光学增透性能，整个可见光区域光透过为∼98.75 ± 0.15%，而且与衬底之间还存在非常牢固的结合力，初步解决了纳米抗反射膜抗摩擦能力弱的问题。总之，基于本项目的研究，为微纳阵列的可控合成提供了新方法，为微纳超导器件和光电器件的研发奠定了良好的基础。