热点关注:  
X射线 3D打印 中广核技 中国同辐 太赫兹 新冠疫情 粒子加速器 质子治疗 电子束辐照 放射性同位素 辐照交联 辐射剂量 直线加速器

技术装备 > 辐照加工 > 正文

松山湖材料实验室成功研制先进激光镀膜设备

超导薄膜技术 激光镀膜设备 粒子加速器
发布:2021-03-26 15:28:07     来源:南方日报

超导技术被誉为21世纪最具有经济战略意义的新兴技术之一,超导体所具备的“零电阻”和“完全抗磁”这两大神奇特性,为人们带来了巨大想象空间。

例如利用超导体电阻为零的特性来进行电力输送,可以大大减少线路损耗,实现超远距离的大容量电力输送;利用它完全的磁抗性可以制造磁悬浮列车、电磁弹射装置等。

“超导最近在媒体出现的频率比较高。比如时下热门的量子计算,涉及到超导量子比特;被称为‘人造太阳’的全超导托卡马克核聚变实验装置,也应用了超导磁体。”中国高温超导研究奠基人之一、国家最高科学技术奖得主赵忠贤院士介绍道,超导距离实际生活最近的应用,则是医院常见的核磁共振成像中的超导磁体。

超导薄膜技术是超导技术发展的重要方向之一。日前,由赵忠贤院士倡导建立并担任顾问的研究团队,面对国外禁运,通过技术集成创新,成功研制出基于国产部件的“三光束脉冲激光共沉积镀膜系统”,并制备出大尺寸双面钇钡铜氧(YBCO)超导单晶薄膜,为我国制备高品质、应用型超导薄膜产品技术带来新突破。

关键设备买不来,怎么办?

在东莞松山湖科学城松山湖材料实验室“实用超导薄膜研究团队”的一间实验室内,一组银白色装置占据了房间一角,三台激光器宛如手术台上的三支机械臂,将一个带有观测窗的球形操作台围在中间,绿色和紫色的光束不时闪烁。这个装置就是该团队近期研发成功的“三光束脉冲激光共沉积镀膜系统”。

该设备基于国产部件实现技术集成创新,包括采用国产小型固态脉冲激光器实现多光束共沉积、激光器与光路系统模块化整体位移、自主研发控制软件实现操作智能化等。利用这台设备,该团队还成功制备出2英寸双面YBCO超导单晶薄膜,将脉冲激光沉积技术制备高品质应用型薄膜产品,推向了一个新的高度。

该团队负责人金魁研究员表示,大尺寸双面钇钡铜氧(YBCO)单晶薄膜,是设计高温超导薄膜器件的良好载体,而高温超导薄膜器件则是开发未来通信技术和超高性能雷达探测器的重要部件,具有十分重要的应用前景。

然而,能够制备该类薄膜的先进设备,此前被德日美等少数国家掌握,一直以来对我国封锁核心技术,并且大尺寸薄膜制备设备近期也已对我国禁运,导致我国高品质应用型“薄膜”和“镀膜设备”核心技术受制于人。

金魁坦言,按照最初构想,是希望直接从国外购买一套先进的大尺寸镀膜设备,之后按团队的需求改造,然而却未能如愿。

“买小尺寸薄膜制备设备回来,做出的样品主要是用于基础研究,找规律、写论文,国外公司同意卖给我们;但要买能投入实用的大尺寸薄膜制备设备,他们就拒绝了。”金魁表示,另一方面,国外的设备只能实现单面薄膜的制备,无法满足团队需求。

在赵忠贤院士的鼓励和指导下,团队最终下定决心走上了自研之路。令他们感到高兴的是,团队产出成果的进度超过了预期。在国外禁运的情况下,团队仅用一年多时间就取得了成功。

“积小胜为大胜”

“我们用激光去打真空腔里面的靶材,由于瞬时高温,靶材表面的成分会变成等离子体向外喷射,之后接触高温衬底,外延沉积完成镀膜,过程就像是烙饼一样。”该设备主要的设计和搭建者冯中沛博士是团队里的一名年轻人,设备成功运转,让他格外兴奋。

过去一年多,冯中沛和同事们几乎每天都围着这台设备转。在工作室紧邻该装置的墙边有一面白板,上面写满了与装置搭建相关的事项。一年时间里,大到整个装置的设计装配,小到一根螺丝钉的定制,整个团队“挂图作战”,环环推进,最终才获得了成功。

“这台设备的功能可以扩展,也可以为超导以外的材料进行镀膜。就像买了一口锅,一开始只用来炒菜,后面还可以用来蒸煮。”冯中沛介绍道。

令整个团队感慨的是,直到他们研制出成本更低、性能更优的设备时,从日本采购的小尺寸镀膜设备甚至因为疫情,还没有厂家工程师前来拆箱。

“这件事虽然谈不上伟大,但是它给了我们很大信心。遇到‘卡脖子’难题,逼着自己进行自主研制和创新,最终把一条新的技术路线走通了。”赵忠贤表示,假如全国几十万、上百万的科研团队,能有十分之一像这样专注去做一件事,我们跟国外的科技竞争就能握有更大的主动权。

“积小胜为大胜,变成大胜就有了长板,有了竞争优势,国外还怎么卡我们脖子?”他说道。

除了团队自身的努力和经验积累,赵忠贤还特别提到,松山湖科学城给予的宽松科研环境与合理的评价体系,为这一成果取得提供了重要土壤。

在他看来,松山湖材料实验室一方面注重研究实效,不以论文论英雄,让科研人员集中精力搞攻关;另一方面,充分信任科学家,原本购置设备的钱可以灵活用于自主研发,“允许用打酱油的钱去买醋”,赋予科学家自主权。

推动超导技术成果转化

能否制备出大尺寸、高质量的超导薄膜,关系诸多关键产业的发展前景。

以超导薄膜为基础的数字电路,相比半导体材料做的数字电路速度更快、损耗更小、容量更大;用超导薄膜制成的超导量子干涉器,可以探测比人脑磁场弱几千倍的磁场,用收集来的磁信号进行分析,能够确定矿源、预报地震等。

而超导薄膜制成的天线、谐振器、滤波器等微波通讯器件,具有常规材料(如金、银等)无法比拟的高灵敏度。此外超导薄膜在大型粒子加速器中也有着广泛的应用。粗略估计,国内外计划建设的各类加速器项目,对超导薄膜谐振腔的需求量将超过10000个。

面对这一趋势,与超导基础研究打了大半辈子交道的学界泰斗,开始将工作重心放在推动超导技术成果转化与实际应用上来。

2017年底,广东启动首批四家省实验室建设,赵忠贤接受邀请,出任松山湖材料实验室学术委员会主任一职,从北京来到了东莞松山湖。在他倡议和亲自指导推动下,“实用超导薄膜研究团队”在松山湖材料实验室迅速建立起来。

除赵忠贤院士作为团队顾问之外,担任团队负责人的金魁研究员,也是一位高水平超导研究专家,他在高温超导体机理研究、超导薄膜制备、新超导体探索等方面都有诸多重要成果,先后在《自然》杂志等主流刊物发表重要论文80余篇。

此外,多位具备国家重点实验室工作背景的超导薄膜和低温技术专家也先后入,组成了国内一流的班底阵容。

“我们选定的题目是‘实用超导薄膜及相关技术研究’,这个不像‘量子’或者‘智能’之类的名字时髦,但并不意味着研究的内容不重要。”赵忠贤说,希望以应用为目标来做一个中长期项目,解决超导应用过程中一系列关键核心技术难题,推动实现跨越性的进步,带来应用上的质变。

谈及今后的打算,年届八旬的赵忠贤心心念念的,仍然是超导。“一是找到超导应用存在的短板,想办法推动一些项目、组织一批队伍来把超导领域的这些问题全部扫光;二是在超导应用的某些方面,希望看到我们比别人强,有自己的‘绝活’。”

推荐阅读

暂无相关信息
阅读排行榜