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    國產突破!松山湖材料實驗室成功研制先進激光鍍膜設備

    2021-04-07

             導讀: 日前,由趙忠賢院士倡導建立并擔任顧問的研究團隊,面對國外禁運,通過技術集成創新,成功研制出基于國產部件的“三光束脈沖激光共沉積鍍膜系統”,并制備出大尺寸雙面釔鋇銅氧(YBCO)超導單晶薄膜。
      
      超導技術被譽為21世紀最具有經濟戰略意義的新興技術之一,超導體所具備的“零電阻”和“完全抗磁”這兩大神奇特性,為人們帶來了巨大想象空間。
      
      例如利用超導體電阻為零的特性來進行電力輸送,可以大大減少線路損耗,實現超遠距離的大容量電力輸送;利用它完全的磁抗性可以制造磁懸浮列車、電磁彈射裝置等。
      
      “超導最近在媒體出現的頻率比較高。比如時下熱門的量子計算,涉及到超導量子比特;被稱為‘人造太陽’的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置,也應用了超導磁體。”中國高溫超導研究奠基人之一、國家最高科學技術獎得主趙忠賢院士介紹道,超導距離實際生活最近的應用,則是醫院常見的核磁共振成像中的超導磁體。
      
      超導薄膜技術是超導技術發展的重要方向之一。日前,由趙忠賢院士倡導建立并擔任顧問的研究團隊,面對國外禁運,通過技術集成創新,成功研制出基于國產部件的“三光束脈沖激光共沉積鍍膜系統”,并制備出大尺寸雙面釔鋇銅氧(YBCO)超導單晶薄膜,為我國制備高品質、應用型超導薄膜產品技術帶來新突破。
      
      關鍵設備買不來,怎么辦?
      
      在東莞松山湖科學城松山湖材料實驗室“實用超導薄膜研究團隊”的一間實驗室內,一組銀白色裝置占據了房間一角,三臺激光器宛如手術臺上的三支機械臂,將一個帶有觀測窗的球形操作臺圍在中間,綠色和紫色的光束不時閃爍。這個裝置就是該團隊近期研發成功的“三光束脈沖激光共沉積鍍膜系統”。
      
      該設備基于國產部件實現技術集成創新,包括采用國產小型固態脈沖激光器實現多光束共沉積、激光器與光路系統模塊化整體位移、自主研發控制軟件實現操作智能化等。利用這臺設備,該團隊還成功制備出2英寸雙面YBCO超導單晶薄膜,將脈沖激光沉積技術制備高品質應用型薄膜產品,推向了一個新的高度。
      
      該團隊負責人金魁研究員表示,大尺寸雙面釔鋇銅氧(YBCO)單晶薄膜,是設計高溫超導薄膜器件的良好載體,而高溫超導薄膜器件則是開發未來通信技術和超高性能雷達探測器的重要部件,具有十分重要的應用前景。
      
      然而,能夠制備該類薄膜的先進設備,此前被德日美等少數國家掌握,一直以來對我國封鎖核心技術,并且大尺寸薄膜制備設備近期也已對我國禁運,導致我國高品質應用型“薄膜”和“鍍膜設備”核心技術受制于人。
      
      金魁坦言,按照最初構想,是希望直接從國外購買一套先進的大尺寸鍍膜設備,之后按團隊的需求改造,然而卻未能如愿。
      
      “買小尺寸薄膜制備設備回來,做出的樣品主要是用于基礎研究,找規律、寫論文,國外公司同意賣給我們;但要買能投入實用的大尺寸薄膜制備設備,他們就拒絕了。”金魁表示,另一方面,國外的設備只能實現單面薄膜的制備,無法滿足團隊需求。
      
      在趙忠賢院士的鼓勵和指導下,團隊最終下定決心走上了自研之路。令他們感到高興的是,團隊產出成果的進度超過了預期。在國外禁運的情況下,團隊僅用一年多時間就取得了成功。
      
      “積小勝為大勝”
      
      “我們用激光去打真空腔里面的靶材,由于瞬時高溫,靶材表面的成分會變成等離子體向外噴射,之后接觸高溫襯底,外延沉積完成鍍膜,過程就像是烙餅一樣。”該設備主要的設計和搭建者馮中沛博士是團隊里的一名年輕人,設備成功運轉,讓他格外興奮。
      
      過去一年多,馮中沛和同事們幾乎每天都圍著這臺設備轉。在工作室緊鄰該裝置的墻邊有一面白板,上面寫滿了與裝置搭建相關的事項。一年時間里,大到整個裝置的設計裝配,小到一根螺絲釘的定制,整個團隊“掛圖作戰”,環環推進,最終才獲得了成功。
      
      “這臺設備的功能可以擴展,也可以為超導以外的材料進行鍍膜。就像買了一口鍋,一開始只用來炒菜,后面還可以用來蒸煮。”馮中沛介紹道。
      
      令整個團隊感慨的是,直到他們研制出成本更低、性能更優的設備時,從日本采購的小尺寸鍍膜設備甚至因為疫情,還沒有廠家工程師前來拆箱。
      
      “這件事雖然談不上偉大,但是它給了我們很大信心。遇到‘卡脖子’難題,逼著自己進行自主研制和創新,最終把一條新的技術路線走通了。”趙忠賢表示,假如全國幾十萬、上百萬的科研團隊,能有十分之一像這樣專注去做一件事,我們跟國外的科技競爭就能握有更大的主動權。
      
      “積小勝為大勝,變成大勝就有了長板,有了競爭優勢,國外還怎么卡我們脖子?”他說道。
      
      除了團隊自身的努力和經驗積累,趙忠賢還特別提到,松山湖科學城給予的寬松科研環境與合理的評價體系,為這一成果取得提供了重要土壤。
      
      在他看來,松山湖材料實驗室一方面注重研究實效,不以論文論英雄,讓科研人員集中精力搞攻關;另一方面,充分信任科學家,原本購置設備的錢可以靈活用于自主研發,“允許用打醬油的錢去買醋”,賦予科學家自主權。
      
      推動超導技術成果轉化
      
      能否制備出大尺寸、高質量的超導薄膜,關系諸多關鍵產業的發展前景。
      
      以超導薄膜為基礎的數字電路,相比半導體材料做的數字電路速度更快、損耗更小、容量更大;用超導薄膜制成的超導量子干涉器,可以探測比人腦磁場弱幾千倍的磁場,用收集來的磁信號進行分析,能夠確定礦源、預報地震等。
      
      而超導薄膜制成的天線、諧振器、濾波器等微波通訊器件,具有常規材料(如金、銀等)無法比擬的高靈敏度。此外超導薄膜在大型粒子加速器中也有著廣泛的應用。粗略估計,國內外計劃建設的各類加速器項目,對超導薄膜諧振腔的需求量將超過10000個。
      
      面對這一趨勢,與超導基礎研究打了大半輩子交道的學界泰斗,開始將工作重心放在推動超導技術成果轉化與實際應用上來。
      
      2017年底,廣東啟動首批四家省實驗室建設,趙忠賢接受邀請,出任松山湖材料實驗室學術委員會主任一職,從北京來到了東莞松山湖。在他倡議和親自指導推動下,“實用超導薄膜研究團隊”在松山湖材料實驗室迅速建立起來。
      
      除趙忠賢院士作為團隊顧問之外,擔任團隊負責人的金魁研究員,也是一位高水平超導研究專家,他在高溫超導體機理研究、超導薄膜制備、新超導體探索等方面都有諸多重要成果,先后在《自然》雜志等主流刊物發表重要論文80余篇。
      
      此外,多位具備國家重點實驗室工作背景的超導薄膜和低溫技術專家也先后加入,組成了國內一流的班底陣容。
      
      “我們選定的題目是‘實用超導薄膜及相關技術研究’,這個不像‘量子’或者‘智能’之類的名字時髦,但并不意味著研究的內容不重要。”趙忠賢說,希望以應用為目標來做一個中長期項目,解決超導應用過程中一系列關鍵核心技術難題,推動實現跨越性的進步,帶來應用上的質變。
      
      談及今后的打算,年屆八旬的趙忠賢心心念念的,仍然是超導。“一是找到超導應用存在的短板,想辦法推動一些項目、組織一批隊伍來把超導領域的這些問題全部掃光;二是在超導應用的某些方面,希望看到我們比別人強,有自己的‘絕活’。”
      
      [來源:南方新聞網]

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