MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的制備工藝與石墨烯超導(dǎo)結(jié)的探索研究一、引言1.1研究背景與意義超導(dǎo)材料，作為一類在特定條件下電阻為零的神奇材料，自1911年被荷蘭科學(xué)家H.K.Onnes發(fā)現(xiàn)以來，便一直是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。其零電阻特性和完全抗磁性，使其在能源、交通、醫(yī)療、科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，為這些領(lǐng)域帶來了革命性的變革和突破。在能源傳輸領(lǐng)域，傳統(tǒng)電線由于電阻的存在，在傳輸電能時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的能量損耗，而超導(dǎo)材料的零電阻特性則可實(shí)現(xiàn)無損耗的電力傳輸，不僅能大幅減少能源浪費(fèi)，還能有效降低輸電成本，為構(gòu)建高效、可持續(xù)的能源系統(tǒng)提供了關(guān)鍵支撐。在交通領(lǐng)域，超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)利用超導(dǎo)體的強(qiáng)磁場(chǎng)特性，實(shí)現(xiàn)了列車的懸浮和高速運(yùn)行，顯著提高了交通運(yùn)輸?shù)乃俣群托剩c傳統(tǒng)軌道交通相比，具有速度快、能耗低、噪音小等諸多優(yōu)勢(shì)。在醫(yī)療領(lǐng)域，超導(dǎo)材料在磁共振成像（MRI）設(shè)備中發(fā)揮著核心作用，超導(dǎo)磁體能夠產(chǎn)生更強(qiáng)、更均勻的磁場(chǎng)，從而極大地提高了成像的質(zhì)量和分辨率，有助于醫(yī)生更準(zhǔn)確地診斷疾病。在科學(xué)研究方面，超導(dǎo)材料為探索物質(zhì)的微觀世界提供了強(qiáng)有力的工具。尤其是在量子信息處理領(lǐng)域，超導(dǎo)材料扮演著至關(guān)重要的角色，是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算、量子通信等前沿技術(shù)的核心基礎(chǔ)。量子計(jì)算作為一種新興的計(jì)算模式，基于量子力學(xué)原理，具有在存儲(chǔ)和處理信息方面的指數(shù)級(jí)優(yōu)勢(shì)，能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以企及的復(fù)雜計(jì)算問題，如密碼算法破解、藥物設(shè)計(jì)、材料科學(xué)研究等。而超導(dǎo)量子比特，作為量子計(jì)算的基本單元，具有相干時(shí)間長、退相干率低等優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)建高性能量子計(jì)算機(jī)的理想選擇。超導(dǎo)材料還可用于制造量子互連線，實(shí)現(xiàn)量子比特之間的低損耗、高帶寬通信，以及制造量子存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)量子信息的長時(shí)間存儲(chǔ)。MoRe合金作為一種第二類超導(dǎo)體，具有臨界溫度高、臨界磁場(chǎng)大等優(yōu)異性質(zhì)。這些特性使得MoRe合金超導(dǎo)微波平面腔在量子信息處理等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。相比于傳統(tǒng)的Al腔，MoRe腔不易氧化，這一特性使得MoRe腔在與機(jī)械振子、石墨烯超導(dǎo)結(jié)等結(jié)合的實(shí)驗(yàn)研究中更加便捷，為相關(guān)研究提供了更穩(wěn)定、可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，由于其較高的臨界溫度和較大的臨界磁場(chǎng)，MoRe合金超導(dǎo)微波平面腔能夠在4.2K的液氦環(huán)境下穩(wěn)定工作，并且可以在更高磁場(chǎng)的環(huán)境中正常運(yùn)行，拓寬了其在不同實(shí)驗(yàn)條件下的應(yīng)用范圍。石墨烯，作為一種由單層碳原子構(gòu)成的新型二維晶體材料，自被發(fā)現(xiàn)以來，因其獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，在諸多領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。在超導(dǎo)領(lǐng)域，石墨烯超導(dǎo)結(jié)的研究具有重要的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。2018年，魔角雙層石墨烯中首次觀測(cè)到超導(dǎo)電性，這一發(fā)現(xiàn)立即引發(fā)了國際物理學(xué)界的廣泛關(guān)注，開啟了二維莫爾超晶格研究的熱潮。此后，研究者們?cè)谵D(zhuǎn)角多層石墨烯莫爾超晶格系統(tǒng)中也陸續(xù)觀測(cè)到超導(dǎo)電性，但轉(zhuǎn)角石墨烯中超導(dǎo)與平帶之間的關(guān)系、超導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制等關(guān)鍵問題，至今仍未完全明確，吸引著眾多科研人員深入探索。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2024年首次在單晶石墨烯中觀測(cè)到電子摻雜情況的超導(dǎo)電性，為空穴端和電子端的超導(dǎo)態(tài)研究提供了新的思路，也為基于石墨烯系統(tǒng)的高質(zhì)量新型超導(dǎo)量子器件的設(shè)計(jì)與制備奠定了重要基礎(chǔ)。對(duì)MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的制備和石墨烯超導(dǎo)結(jié)的探索，不僅有助于深入理解超導(dǎo)材料的物理性質(zhì)和超導(dǎo)機(jī)制，推動(dòng)超導(dǎo)理論的進(jìn)一步發(fā)展，還將為量子信息處理等領(lǐng)域提供關(guān)鍵的技術(shù)支持和材料基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。通過優(yōu)化制備工藝，提高M(jìn)oRe合金微波超導(dǎo)平面腔的性能，有望實(shí)現(xiàn)更高效的量子比特讀出和多比特長程耦合，推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。深入研究石墨烯超導(dǎo)結(jié)的特性和應(yīng)用，可能為量子通信、量子傳感等領(lǐng)域帶來新的突破，為構(gòu)建未來的量子信息網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔制備方面，國內(nèi)外科研人員已取得了一定的成果。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域進(jìn)行了深入探索，他們?cè)O(shè)計(jì)并仿真了MoRe合金微波平面腔的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)微納加工工藝（包括磁控濺射鍍膜、光刻及干法刻蝕）的研究，成功解決了制備過程中出現(xiàn)的金屬孤島等工藝問題，制備出在20mK的環(huán)境下Q值高達(dá)28000的MoRe合金超導(dǎo)微波平面腔。這一成果為進(jìn)一步研究MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔在量子信息處理中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。國外的一些科研機(jī)構(gòu)也在積極開展相關(guān)研究，不斷優(yōu)化制備工藝，提高M(jìn)oRe合金微波超導(dǎo)平面腔的性能。例如，[具體國外研究機(jī)構(gòu)]通過改進(jìn)磁控濺射鍍膜的參數(shù)，提高了MoRe薄膜的質(zhì)量和均勻性，從而提升了超導(dǎo)平面腔的性能。然而，目前MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的制備仍存在一些挑戰(zhàn)。制備工藝的復(fù)雜性導(dǎo)致制備成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用；制備過程中的微小偏差可能會(huì)對(duì)超導(dǎo)平面腔的性能產(chǎn)生顯著影響，如何提高制備工藝的穩(wěn)定性和重復(fù)性，仍是需要解決的關(guān)鍵問題。在石墨烯超導(dǎo)結(jié)的探索方面，國際上的研究取得了一系列重要進(jìn)展。2018年，魔角雙層石墨烯中首次觀測(cè)到超導(dǎo)電性，開啟了二維莫爾超晶格研究的熱潮。此后，研究者們?cè)谵D(zhuǎn)角多層石墨烯莫爾超晶格系統(tǒng)中也陸續(xù)觀測(cè)到超導(dǎo)電性。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2024年首次在單晶石墨烯中觀測(cè)到電子摻雜情況的超導(dǎo)電性，通過優(yōu)化樣品制備方法，成功制備出高質(zhì)量雙層石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)樣品，揭示了該系統(tǒng)中空穴摻雜超導(dǎo)隨位移電場(chǎng)和載流子濃度變化的完整相圖。盡管在石墨烯超導(dǎo)結(jié)的研究上取得了這些成果，但仍有許多關(guān)鍵問題亟待解決。轉(zhuǎn)角石墨烯中超導(dǎo)與平帶之間的關(guān)系尚未完全明確，超導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制也存在多種理論模型，但缺乏確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來確定其本質(zhì)。目前制備高質(zhì)量、可重復(fù)性好的石墨烯超導(dǎo)結(jié)仍然面臨困難，這限制了對(duì)其物理性質(zhì)和應(yīng)用的深入研究。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的制備工藝，并對(duì)石墨烯超導(dǎo)結(jié)展開探索，以期為超導(dǎo)材料在量子信息處理等領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。具體研究目標(biāo)和內(nèi)容如下：1.3.1研究目標(biāo)成功制備高性能MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔：通過對(duì)MoRe合金薄膜制備工藝（如磁控濺射鍍膜）的深入研究與優(yōu)化，精準(zhǔn)調(diào)控薄膜的成分、厚度和質(zhì)量，同時(shí)對(duì)光刻及干法刻蝕等微納加工工藝進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化，以解決制備過程中出現(xiàn)的各類工藝問題，制備出在極低溫環(huán)境下（如20mK）具有高Q值（目標(biāo)Q值高于現(xiàn)有研究水平，達(dá)到30000以上）的MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔。深入探索石墨烯超導(dǎo)結(jié)的特性與機(jī)制：通過優(yōu)化樣品制備方法，制備出高質(zhì)量的石墨烯超導(dǎo)結(jié)樣品。運(yùn)用多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如極低溫量子輸運(yùn)測(cè)量、掃描隧道顯微鏡（STM）等，深入研究石墨烯超導(dǎo)結(jié)的電學(xué)特性、超導(dǎo)能隙、臨界電流等關(guān)鍵物理量，揭示其超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制和相關(guān)物理規(guī)律，明確超導(dǎo)與平帶之間的關(guān)系。1.3.2研究內(nèi)容MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的設(shè)計(jì)與仿真：依據(jù)量子信息處理等應(yīng)用的具體需求，利用專業(yè)的電磁仿真軟件（如CSTMicrowaveStudio、HFSS等），對(duì)MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)與全面仿真。深入分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（如腔的尺寸、形狀、模式頻率等）對(duì)超導(dǎo)平面腔性能（如Q值、模式分布、場(chǎng)強(qiáng)分布等）的影響，從而確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)的制備工作提供精確的理論指導(dǎo)。MoRe合金薄膜的制備工藝研究：重點(diǎn)研究磁控濺射鍍膜工藝，系統(tǒng)探究濺射功率、濺射時(shí)間、靶材與襯底的距離、工作氣體壓強(qiáng)等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)MoRe薄膜的成分、厚度、均勻性、結(jié)晶質(zhì)量以及超導(dǎo)性能的影響規(guī)律。通過不斷優(yōu)化這些參數(shù)，制備出高質(zhì)量、均勻性好且超導(dǎo)性能優(yōu)異的MoRe薄膜，為超導(dǎo)平面腔的制備奠定堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的微納加工工藝研究：對(duì)光刻及干法刻蝕等微納加工工藝進(jìn)行深入研究。在光刻工藝中，選擇合適的光刻膠和曝光設(shè)備，精確控制光刻的曝光劑量、顯影時(shí)間等參數(shù)，以獲得高精度的圖形轉(zhuǎn)移。在干法刻蝕工藝中，研究刻蝕氣體種類、刻蝕功率、刻蝕時(shí)間等因素對(duì)刻蝕速率、刻蝕精度和側(cè)壁垂直度的影響，優(yōu)化刻蝕工藝參數(shù)，確保在刻蝕過程中不損傷MoRe薄膜的超導(dǎo)性能，成功制備出具有高精度結(jié)構(gòu)的MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔。石墨烯超導(dǎo)結(jié)的制備與表征：探索并優(yōu)化石墨烯超導(dǎo)結(jié)的制備方法，如采用機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）等制備高質(zhì)量的石墨烯，通過微納加工技術(shù)將石墨烯與超導(dǎo)電極進(jìn)行精確集成，制備出高質(zhì)量的石墨烯超導(dǎo)結(jié)樣品。運(yùn)用極低溫量子輸運(yùn)測(cè)量技術(shù)，測(cè)量石墨烯超導(dǎo)結(jié)的電流-電壓特性、臨界電流隨溫度和磁場(chǎng)的變化關(guān)系等，獲取其電學(xué)特性參數(shù)。利用掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征技術(shù)，對(duì)石墨烯超導(dǎo)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行表征，深入了解其微觀特性與超導(dǎo)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔與石墨烯超導(dǎo)結(jié)的性能分析：對(duì)制備得到的MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔，在極低溫環(huán)境下（如20mK），利用高精度的微波測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量其Q值、模式頻率等性能參數(shù)，分析其在不同溫度、磁場(chǎng)條件下的性能穩(wěn)定性。對(duì)石墨烯超導(dǎo)結(jié)，通過分析其電學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)表征結(jié)果，深入研究其超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制，探討超導(dǎo)與平帶之間的關(guān)系，以及雜質(zhì)、缺陷等因素對(duì)超導(dǎo)性能的影響。將MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔與石墨烯超導(dǎo)結(jié)進(jìn)行集成研究，探索它們之間的相互作用機(jī)制，為構(gòu)建基于MoRe合金和石墨烯的新型超導(dǎo)量子器件提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的制備2.1MoRe合金材料特性MoRe合金作為一種具有獨(dú)特物理性質(zhì)的超導(dǎo)材料，在超導(dǎo)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。它是由鉬（Mo）和錸（Re）兩種金屬元素熔合而成，其原子結(jié)構(gòu)的特殊性賦予了合金優(yōu)異的超導(dǎo)性能。MoRe合金的臨界溫度是其重要特性之一。研究表明，MoRe合金的臨界溫度一般在7-10K之間，具體數(shù)值會(huì)因合金中Mo和Re的比例以及制備工藝的不同而有所差異。例如，當(dāng)Mo和Re的原子比接近1:1時(shí)，在特定的制備條件下，其臨界溫度可達(dá)到8.7K左右。這種相對(duì)較高的臨界溫度，使得MoRe合金在液氦溫區(qū)（4.2K）能夠穩(wěn)定地保持超導(dǎo)態(tài)，為其在實(shí)際應(yīng)用中提供了便利。與一些傳統(tǒng)的低溫超導(dǎo)材料，如鋁（Al），其臨界溫度僅為1.18K，相比之下，MoRe合金的臨界溫度優(yōu)勢(shì)明顯，這意味著在相同的制冷條件下，MoRe合金更容易進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，并且能夠在更寬泛的溫度范圍內(nèi)維持超導(dǎo)性能。臨界磁場(chǎng)也是衡量超導(dǎo)材料性能的關(guān)鍵參數(shù)。MoRe合金屬于第二類超導(dǎo)體，具有較高的上臨界磁場(chǎng)（Hc2）和下臨界磁場(chǎng)（Hc1）。在4.2K時(shí)，其下臨界磁場(chǎng)Hc1通常在幾十毫特斯拉（mT）量級(jí)，而上臨界磁場(chǎng)Hc2則可達(dá)到數(shù)特斯拉（T）。以常見的MoRe合金成分比例為例，在4.2K下，Hc2能夠達(dá)到5-7T左右。這一特性使得MoRe合金超導(dǎo)微波平面腔能夠在較高磁場(chǎng)環(huán)境下正常工作，極大地拓寬了其應(yīng)用范圍。在一些需要強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)或應(yīng)用中，如磁共振成像（MRI）設(shè)備中的超導(dǎo)磁體、高能物理實(shí)驗(yàn)中的粒子加速器等，MoRe合金能夠承受更高的磁場(chǎng)而不失去超導(dǎo)特性，保證了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。相比之下，一些其他超導(dǎo)材料可能在較低磁場(chǎng)下就會(huì)發(fā)生超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變，限制了其在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用。MoRe合金還具有良好的抗腐蝕性。鉬和錸本身都是具有較好化學(xué)穩(wěn)定性的金屬，它們形成的合金繼承了這一優(yōu)點(diǎn)。在空氣中，MoRe合金不易被氧化，這一特性使得MoRe合金超導(dǎo)微波平面腔在與機(jī)械振子、石墨烯超導(dǎo)結(jié)等結(jié)合的實(shí)驗(yàn)研究中具有顯著優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，MoRe合金腔能夠長時(shí)間保持其性能的穩(wěn)定性，減少了因材料腐蝕而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差和設(shè)備故障。而傳統(tǒng)的Al腔容易在空氣中氧化，表面形成一層氧化鋁薄膜，這不僅會(huì)影響其超導(dǎo)性能，還可能在與其他器件結(jié)合時(shí)產(chǎn)生接觸不良等問題，需要采取額外的防護(hù)措施來防止氧化，增加了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和成本。MoRe合金的抗腐蝕性為其在復(fù)雜實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的應(yīng)用提供了可靠的保障，使其在超導(dǎo)微波平面腔的制備和應(yīng)用中具有獨(dú)特的競(jìng)爭力。2.2平面腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則在設(shè)計(jì)MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔時(shí)，需充分考慮多方面因素，以滿足量子信息處理等應(yīng)用的嚴(yán)格要求。平面腔的尺寸是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它與諧振頻率密切相關(guān)。根據(jù)電磁學(xué)理論，諧振頻率f與腔的尺寸L滿足一定的關(guān)系，對(duì)于常見的矩形平面腔，其最低階諧振模式（如TE_{101}模式）的諧振頻率f_{101}可由公式f_{101}=\frac{c}{2}\sqrt{(\frac{1}{L_x})^2+(\frac{1}{L_z})^2}計(jì)算得出，其中c為光速，L_x和L_z分別為矩形腔在x和z方向的尺寸。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需根據(jù)具體的應(yīng)用需求，精確設(shè)定腔的尺寸，以實(shí)現(xiàn)所需的諧振頻率。若要實(shí)現(xiàn)特定頻率為5GHz的諧振模式，通過上述公式反推，可確定合適的腔尺寸。平面腔的形狀對(duì)其性能也有著顯著影響。不同的形狀會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布不同，進(jìn)而影響平面腔的品質(zhì)因數(shù)（Q值）和模式純度。常見的平面腔形狀有矩形、圓形和圓柱形等。矩形平面腔由于其結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛。其電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布具有明確的規(guī)律性，在TE_{101}模式下，電場(chǎng)主要集中在腔的中心區(qū)域，且在x方向呈正弦分布，在y方向?yàn)榱?；磁?chǎng)則在腔壁附近較強(qiáng)，且在z方向呈正弦分布。圓形平面腔的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布具有軸對(duì)稱性，在某些對(duì)模式對(duì)稱性要求較高的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。圓柱形平面腔則結(jié)合了矩形和圓形腔的部分特點(diǎn)，在特定的應(yīng)用場(chǎng)景中也能發(fā)揮獨(dú)特的作用。在選擇平面腔形狀時(shí)，需綜合考慮應(yīng)用需求、加工工藝和性能優(yōu)化等因素。諧振模式的選擇也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。不同的諧振模式具有不同的場(chǎng)分布和特性，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。除了前面提到的TE_{101}模式，還有TM_{mnl}等多種模式。TE模式（橫電模式）的電場(chǎng)在傳播方向上沒有分量，而TM模式（橫磁模式）的磁場(chǎng)在傳播方向上沒有分量。在量子比特讀出應(yīng)用中，通常選擇具有較高場(chǎng)強(qiáng)和良好模式純度的諧振模式，以提高讀出的靈敏度和準(zhǔn)確性。對(duì)于實(shí)現(xiàn)多比特長程耦合，需要選擇能夠在腔體內(nèi)形成合適場(chǎng)分布的諧振模式，以促進(jìn)比特之間的有效耦合。在設(shè)計(jì)過程中，需深入分析不同諧振模式的特性，結(jié)合具體應(yīng)用需求，選擇最優(yōu)的諧振模式。2.2.2仿真分析為了深入了解MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的性能，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用專業(yè)的電磁仿真軟件（如CSTMicrowaveStudio、HFSS等）進(jìn)行全面的電磁仿真分析是至關(guān)重要的。這些軟件基于先進(jìn)的數(shù)值算法，能夠精確地模擬平面腔內(nèi)的電磁場(chǎng)分布和電磁特性，為平面腔的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有力的支持。在使用CSTMicrowaveStudio進(jìn)行仿真時(shí)，首先需要在軟件中精確構(gòu)建MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的三維模型。這包括定義平面腔的幾何形狀（如矩形、圓形等）、尺寸參數(shù)（長度、寬度、高度等），以及設(shè)置MoRe合金材料的電磁參數(shù)，如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等。對(duì)于一個(gè)矩形MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔，若其長度為L=10mm，寬度為W=8mm，高度為H=5mm，在軟件中需準(zhǔn)確輸入這些尺寸數(shù)據(jù)。同時(shí)，根據(jù)MoRe合金的特性，設(shè)置其電導(dǎo)率為\sigma=1\times10^7S/m，磁導(dǎo)率為\mu=\mu_0（真空磁導(dǎo)率）。構(gòu)建完模型后，設(shè)置激勵(lì)源和邊界條件。通常選擇波端口作為激勵(lì)源，以模擬微波信號(hào)的輸入。在設(shè)置波端口時(shí)，需定義其位置、尺寸和模式等參數(shù)，確保能夠準(zhǔn)確地激發(fā)平面腔的諧振模式。對(duì)于邊界條件，根據(jù)實(shí)際情況，可將平面腔的壁設(shè)置為理想電導(dǎo)體（PEC）邊界，以模擬真實(shí)的金屬腔壁。這是因?yàn)槔硐腚妼?dǎo)體邊界能夠完全反射電磁波，符合金屬腔壁的實(shí)際電磁特性。完成模型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置后，即可進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果能夠直觀地展示平面腔內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布情況。通過電場(chǎng)分布云圖，可以清晰地看到電場(chǎng)強(qiáng)度在平面腔內(nèi)的分布情況。在某一諧振模式下，電場(chǎng)強(qiáng)度可能在平面腔的中心區(qū)域達(dá)到最大值，然后向腔壁逐漸減小。在TE_{101}模式下，電場(chǎng)強(qiáng)度在矩形平面腔的中心沿x方向呈正弦分布，在y方向?yàn)榱?，在z方向呈正弦分布。磁場(chǎng)分布云圖則能展示磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布，磁場(chǎng)強(qiáng)度在腔壁附近較強(qiáng)，且在不同方向上呈現(xiàn)出特定的分布規(guī)律。仿真結(jié)果還能提供平面腔的諧振特性，如諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)（Q值）。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，可以深入了解不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振特性的影響。改變平面腔的長度，觀察諧振頻率的變化情況。當(dāng)長度增加時(shí)，根據(jù)電磁理論，諧振頻率會(huì)降低，通過仿真可以精確地得到頻率變化的具體數(shù)值。研究平面腔的厚度對(duì)Q值的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加厚度可以提高Q值，因?yàn)楹穸鹊脑黾涌梢詼p少電磁波在腔壁的損耗，從而提高平面腔的品質(zhì)因數(shù)。通過這些分析，能夠找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)平面腔的高性能。2.3制備工藝流程2.3.1基片預(yù)處理基片的選擇和預(yù)處理對(duì)于MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的制備至關(guān)重要，它直接影響著后續(xù)薄膜的生長質(zhì)量和平面腔的性能。在基片選擇方面，通常選用高純度的硅（Si）片或藍(lán)寶石（Al?O?）片作為基片。硅片因其良好的化學(xué)穩(wěn)定性、平整度和與MoRe合金的兼容性，在超導(dǎo)平面腔制備中應(yīng)用廣泛。其表面原子排列規(guī)則，能夠?yàn)镸oRe薄膜的生長提供均勻的成核位點(diǎn)，有利于形成高質(zhì)量的薄膜。藍(lán)寶石片則具有較高的硬度和熱導(dǎo)率，在一些對(duì)基片熱穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。在清洗基片時(shí)，首先采用去離子水對(duì)基片進(jìn)行沖洗，去除表面的灰塵和雜質(zhì)顆粒。然后將基片放入丙酮溶液中，利用丙酮的溶解性，通過超聲清洗的方式，去除基片表面的有機(jī)污染物，超聲清洗時(shí)間一般控制在15-20分鐘。之后，將基片轉(zhuǎn)移至乙醇溶液中，再次進(jìn)行超聲清洗，以進(jìn)一步去除殘留的丙酮和其他雜質(zhì)，清洗時(shí)間同樣為15-20分鐘。最后，用去離子水對(duì)基片進(jìn)行多次沖洗，確保表面沒有殘留的清洗液。清洗后的基片需在氮?dú)猸h(huán)境中吹干，以防止表面吸附水分。為了提高基片表面的活性，增強(qiáng)MoRe薄膜與基片之間的附著力，還需對(duì)基片進(jìn)行表面處理。采用等離子體處理的方法，將清洗后的基片放入等離子體處理設(shè)備中，通入適量的氬氣（Ar），在一定的功率和氣壓下，對(duì)基片表面進(jìn)行處理。等離子體中的高能粒子與基片表面相互作用，能夠去除表面的氧化層，增加表面的粗糙度，從而提高表面活性。處理時(shí)間一般為5-10分鐘，功率設(shè)置為100-150W，氣壓控制在10-20Pa。經(jīng)過表面處理后的基片，能夠更好地促進(jìn)MoRe薄膜的生長，提高薄膜與基片之間的結(jié)合力，為后續(xù)制備高質(zhì)量的MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔奠定基礎(chǔ)。2.3.2MoRe薄膜制備采用磁控濺射技術(shù)制備MoRe薄膜，該技術(shù)具有沉積速率高、薄膜質(zhì)量好、成分易于控制等優(yōu)點(diǎn)。在磁控濺射過程中，濺射功率是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著薄膜的沉積速率和質(zhì)量。當(dāng)濺射功率較低時(shí)，靶材原子獲得的能量較少，濺射出來的原子數(shù)量有限，導(dǎo)致薄膜的沉積速率較慢。隨著濺射功率的增加，靶材原子獲得的能量增大，濺射出來的原子數(shù)量增多，薄膜的沉積速率顯著提高。當(dāng)濺射功率過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致薄膜內(nèi)部應(yīng)力增大，結(jié)晶質(zhì)量下降，從而影響薄膜的超導(dǎo)性能。研究表明，在制備MoRe薄膜時(shí)，合適的濺射功率范圍一般在100-200W之間。氣體流量也是影響薄膜質(zhì)量的重要因素。在磁控濺射過程中，通常使用氬氣（Ar）作為工作氣體。氬氣的流量會(huì)影響等離子體的密度和離子能量，進(jìn)而影響薄膜的沉積過程。當(dāng)氬氣流量較低時(shí)，等離子體密度較小，離子能量較高，濺射出來的原子在基片表面的遷移率較低，容易形成粗糙的薄膜表面。隨著氬氣流量的增加，等離子體密度增大，離子能量降低，濺射出來的原子在基片表面的遷移率增加，有利于形成均勻、致密的薄膜。氬氣流量過高會(huì)導(dǎo)致濺射出來的原子與氬氣分子碰撞頻繁，能量損失較大，從而降低薄膜的沉積速率。一般來說，氬氣流量控制在20-30sccm時(shí)，能夠制備出質(zhì)量較好的MoRe薄膜。沉積時(shí)間直接決定了薄膜的厚度。在一定的濺射條件下，沉積時(shí)間越長，薄膜的厚度越大。薄膜厚度并非越大越好，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來確定合適的厚度。對(duì)于MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔，通常要求MoRe薄膜的厚度在0.5-1μm之間。在這個(gè)厚度范圍內(nèi)，薄膜能夠滿足超導(dǎo)平面腔的性能要求，同時(shí)避免了因薄膜過厚而導(dǎo)致的應(yīng)力過大、制備成本增加等問題。在制備過程中，可以通過監(jiān)控沉積時(shí)間來精確控制薄膜的厚度，例如，在特定的濺射條件下，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，沉積時(shí)間為30-40分鐘時(shí)，能夠得到厚度約為0.8μm的MoRe薄膜。2.3.3光刻與刻蝕工藝光刻和刻蝕工藝是制備MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔微納結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟，它們對(duì)于實(shí)現(xiàn)平面腔的高精度圖形轉(zhuǎn)移和結(jié)構(gòu)制備起著決定性作用。在光刻工藝中，首先進(jìn)行光刻膠涂覆。選擇合適的光刻膠是確保光刻質(zhì)量的基礎(chǔ)，根據(jù)平面腔的圖形精度要求和工藝特點(diǎn)，常選用正性光刻膠，如Shipley1813等。將清洗干凈并經(jīng)過表面處理的基片放置在勻膠機(jī)上，滴加適量的光刻膠。勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速和時(shí)間對(duì)光刻膠的厚度和均勻性有重要影響。一般來說，轉(zhuǎn)速設(shè)置在3000-4000rpm，勻膠時(shí)間為30-40秒時(shí)，可以獲得厚度均勻、約為1-1.5μm的光刻膠層。涂覆光刻膠后，進(jìn)行曝光操作。采用紫外光刻機(jī)進(jìn)行曝光，曝光劑量的控制至關(guān)重要。曝光劑量不足會(huì)導(dǎo)致光刻膠無法充分交聯(lián)，顯影后圖形分辨率低，線條邊緣粗糙；曝光劑量過大則會(huì)使光刻膠過度交聯(lián)，顯影時(shí)難以去除，甚至?xí)p壞圖形。對(duì)于Shipley1813光刻膠，合適的曝光劑量一般在15-25mJ/cm2之間。在曝光過程中，需要精確控制光刻機(jī)的光源強(qiáng)度、曝光時(shí)間等參數(shù)，以確保曝光劑量的準(zhǔn)確性。曝光完成后，進(jìn)行顯影處理。將曝光后的基片放入顯影液中，如MF-319顯影液，顯影時(shí)間通常為60-90秒。顯影過程中，未曝光的光刻膠被溶解去除，從而在基片表面形成所需的光刻圖形。光刻完成后，進(jìn)行干法刻蝕工藝，以去除未被光刻膠保護(hù)的MoRe薄膜部分，形成精確的平面腔結(jié)構(gòu)。干法刻蝕常采用電感耦合等離子體刻蝕（ICP）技術(shù)，該技術(shù)具有刻蝕速率高、刻蝕精度高、對(duì)光刻膠損傷小等優(yōu)點(diǎn)。在ICP刻蝕過程中，刻蝕氣體種類對(duì)刻蝕效果有顯著影響。常用的刻蝕氣體有氯氣（Cl?）和三氯化硼（BCl?）等。Cl?具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，能夠與MoRe合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成易揮發(fā)的氯化物，從而實(shí)現(xiàn)刻蝕。BCl?則在等離子體中產(chǎn)生的離子具有較高的能量，能夠通過物理轟擊作用去除MoRe薄膜。通常將Cl?和BCl?按照一定比例混合使用，以達(dá)到最佳的刻蝕效果，如Cl?和BCl?的體積比為3:2。刻蝕功率也是影響刻蝕速率和刻蝕精度的重要參數(shù)。隨著刻蝕功率的增加，等離子體中的離子能量增大，刻蝕速率加快。功率過高會(huì)導(dǎo)致刻蝕過程中產(chǎn)生過多的熱量，使光刻膠發(fā)生變形，影響圖形精度，還可能會(huì)對(duì)MoRe薄膜造成損傷，降低其超導(dǎo)性能。合適的刻蝕功率一般在100-150W之間?？涛g時(shí)間則根據(jù)所需刻蝕的深度和刻蝕速率來確定，在上述刻蝕條件下，刻蝕時(shí)間一般為10-15分鐘，能夠精確地刻蝕出所需的MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的側(cè)壁垂直度和表面質(zhì)量。2.4制備難點(diǎn)與解決方法在MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的制備過程中，面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，需要采取有效的解決方法來確保制備出高性能的平面腔。在MoRe薄膜制備過程中，金屬孤島的出現(xiàn)是一個(gè)常見且棘手的問題。金屬孤島的形成主要是由于濺射過程中原子的不均勻沉積以及基片表面的微觀缺陷。當(dāng)濺射原子在基片表面遷移時(shí)，若遇到微觀缺陷，就容易在這些位置聚集，形成金屬孤島。這些金屬孤島不僅會(huì)影響薄膜的均勻性和連續(xù)性，還可能導(dǎo)致薄膜的超導(dǎo)性能下降。因?yàn)榻饘俟聧u的存在會(huì)破壞薄膜內(nèi)部的電子傳輸路徑，增加電阻，進(jìn)而影響超導(dǎo)態(tài)的形成和維持。為解決金屬孤島問題，可對(duì)基片進(jìn)行更加嚴(yán)格的預(yù)處理。在常規(guī)清洗的基礎(chǔ)上，增加化學(xué)刻蝕步驟，使用稀氫氟酸（HF）溶液對(duì)硅基片進(jìn)行刻蝕，去除表面的氧化層和微小顆粒，刻蝕時(shí)間控制在3-5分鐘，以提高基片表面的平整度和清潔度，減少原子聚集的位點(diǎn)。優(yōu)化濺射工藝參數(shù)，降低濺射功率并適當(dāng)提高濺射時(shí)間，使原子能夠更均勻地沉積在基片表面。將濺射功率從150W降低到120W，濺射時(shí)間從30分鐘延長到40分鐘，有助于改善薄膜的均勻性，減少金屬孤島的產(chǎn)生。薄膜均勻性是影響MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔性能的關(guān)鍵因素之一。薄膜均勻性不佳會(huì)導(dǎo)致平面腔內(nèi)的電磁場(chǎng)分布不均勻，進(jìn)而影響Q值和模式純度。在磁控濺射過程中，靶材與基片的距離、濺射氣體的流量分布以及基片的旋轉(zhuǎn)速度等因素都會(huì)對(duì)薄膜均勻性產(chǎn)生影響。當(dāng)靶材與基片距離過近時(shí)，靠近靶材中心區(qū)域的基片接收的濺射原子較多，而邊緣區(qū)域接收較少，導(dǎo)致薄膜厚度不均勻；濺射氣體流量分布不均勻會(huì)影響等離子體的密度分布，從而導(dǎo)致原子沉積不均勻；基片旋轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定也會(huì)造成薄膜厚度的差異。為提高薄膜均勻性，精確控制靶材與基片的距離至關(guān)重要。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，在本研究中，將靶材與基片的距離固定在8-10cm時(shí)，能夠獲得較為均勻的原子沉積。優(yōu)化濺射氣體的流量分布，在濺射設(shè)備中安裝氣體勻流裝置，使氬氣能夠均勻地分布在濺射區(qū)域，確保等離子體密度均勻，從而實(shí)現(xiàn)原子的均勻沉積。基片的旋轉(zhuǎn)速度也需要精確控制，采用高精度的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，將基片的旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定在10-15rpm，以保證薄膜在基片上的均勻生長。光刻精度對(duì)于實(shí)現(xiàn)MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的高精度結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。光刻過程中的曝光劑量不均勻、光刻膠的厚度變化以及顯影過程中的偏差等因素，都會(huì)導(dǎo)致光刻圖形的精度下降。曝光系統(tǒng)的光源穩(wěn)定性、光學(xué)元件的質(zhì)量以及光刻膠的特性等都會(huì)影響曝光劑量的均勻性。光刻膠在涂覆過程中，由于勻膠機(jī)的精度限制或基片表面的不平整，可能會(huì)導(dǎo)致光刻膠厚度不均勻。顯影過程中，顯影液的濃度變化、顯影時(shí)間的控制精度以及顯影方式等都會(huì)對(duì)光刻圖形的質(zhì)量產(chǎn)生影響。為提高光刻精度，選擇高穩(wěn)定性的曝光系統(tǒng)，如采用具有穩(wěn)定光源輸出和高精度光學(xué)聚焦系統(tǒng)的紫外光刻機(jī)。定期對(duì)曝光系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，確保曝光劑量的均勻性控制在±5%以內(nèi)。在光刻膠涂覆方面，采用多次涂覆和烘烤的工藝，先以較低的轉(zhuǎn)速（如2000rpm）進(jìn)行初次涂覆，然后在90-100℃下烘烤5-8分鐘，去除光刻膠中的溶劑；接著以較高的轉(zhuǎn)速（如3500rpm）進(jìn)行二次涂覆，再次烘烤，這樣可以有效提高光刻膠的厚度均勻性，使光刻膠厚度偏差控制在±0.1μm以內(nèi)。在顯影過程中，采用自動(dòng)顯影設(shè)備，精確控制顯影液的濃度和顯影時(shí)間，顯影液濃度控制在規(guī)定值的±2%以內(nèi)，顯影時(shí)間誤差控制在±5秒以內(nèi)，同時(shí)采用超聲輔助顯影的方式，提高顯影的均勻性和效果，從而確保光刻圖形的高精度轉(zhuǎn)移，滿足MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的制備要求。三、石墨烯超導(dǎo)結(jié)的探索3.1石墨烯超導(dǎo)特性研究現(xiàn)狀石墨烯超導(dǎo)特性的研究是凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，近年來取得了一系列令人矚目的成果，吸引了眾多科研人員的深入探索。2018年，美國麻省理工學(xué)院的PabloJarillo-Herrero教授研究小組在魔角雙層石墨烯中觀測(cè)到了關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)和超導(dǎo)態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)猶如一顆重磅炸彈，在國際物理學(xué)界引起了軒然大波。魔角雙層石墨烯是指兩層石墨烯以約1.1°的特定角度扭轉(zhuǎn)堆疊形成的結(jié)構(gòu)，這種微小的轉(zhuǎn)角使得石墨烯的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，出現(xiàn)了平帶結(jié)構(gòu)，電子之間的相互作用增強(qiáng)，從而引發(fā)了超導(dǎo)現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)開啟了二維莫爾超晶格研究的熱潮，眾多科研團(tuán)隊(duì)紛紛投身于該領(lǐng)域，對(duì)魔角雙層石墨烯的超導(dǎo)特性展開了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，魔角雙層石墨烯的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度雖然相對(duì)較低，在1K左右，但它展現(xiàn)出了許多獨(dú)特的超導(dǎo)性質(zhì)，如對(duì)磁場(chǎng)的異常響應(yīng)等，為超導(dǎo)理論的發(fā)展提供了新的研究對(duì)象。在魔角雙層石墨烯的基礎(chǔ)上，研究者們進(jìn)一步將目光投向了轉(zhuǎn)角多層石墨烯莫爾超晶格系統(tǒng)。2021年，美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究小組分別獨(dú)立報(bào)道了在轉(zhuǎn)角三層石墨烯中觀測(cè)到關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)和超導(dǎo)態(tài)。轉(zhuǎn)角三層石墨烯的超導(dǎo)特性研究為理解多層石墨烯系統(tǒng)中的超導(dǎo)機(jī)制提供了新的視角。與魔角雙層石墨烯相比，轉(zhuǎn)角三層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，層間相互作用和轉(zhuǎn)角的變化會(huì)對(duì)超導(dǎo)性能產(chǎn)生顯著影響。研究表明，轉(zhuǎn)角三層石墨烯中的超導(dǎo)態(tài)與電子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)密切相關(guān)，電子之間的相互作用使得電子形成了庫珀對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)。一些研究還發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)角三層石墨烯在特定條件下能夠展現(xiàn)出超越泡利極限的臨界磁場(chǎng)和“重入”超導(dǎo)性等新奇物性，這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步豐富了人們對(duì)石墨烯超導(dǎo)特性的認(rèn)識(shí)。除了轉(zhuǎn)角多層石墨烯，無轉(zhuǎn)角的單晶石墨烯也成為了研究的熱點(diǎn)。2021年，美國加州大學(xué)圣塔芭芭拉大學(xué)的AndreaF.Young教授研究小組在菱方堆垛的三層石墨烯中，通過柵極靜電調(diào)控，觀察到空穴摻雜的超導(dǎo)現(xiàn)象，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為100mK。菱方堆垛三層石墨烯是一種具有特定原子排列方式的單晶石墨烯結(jié)構(gòu)，它不需要通過轉(zhuǎn)角來形成莫爾超晶格就能夠?qū)崿F(xiàn)超導(dǎo)，這一發(fā)現(xiàn)更新了人們對(duì)石墨烯超導(dǎo)的認(rèn)知，表明超導(dǎo)現(xiàn)象在石墨烯體系中的出現(xiàn)可能具有多種機(jī)制。2024年，上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)取得了重要突破，他們首次在單晶石墨烯中觀測(cè)到電子摻雜情況的超導(dǎo)電性。該研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化樣品制備方法，成功制備出高質(zhì)量雙層石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)樣品。通過施加垂直位移電場(chǎng)和靜電摻雜調(diào)控，他們揭示了該系統(tǒng)中空穴摻雜超導(dǎo)隨位移電場(chǎng)和載流子濃度變化的完整相圖，并在電子摻雜的情況下也觀察到了超導(dǎo)態(tài)。實(shí)驗(yàn)上測(cè)量到的最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別約為450mK（空穴端）和300mK（電子端），這是目前在單晶石墨烯系統(tǒng)中觀察到的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的最高記錄。這一研究成果對(duì)于理解晶體石墨烯及轉(zhuǎn)角石墨烯系統(tǒng)的超導(dǎo)機(jī)理具有重要意義，也為設(shè)計(jì)制備基于石墨烯系統(tǒng)的高質(zhì)量新型超導(dǎo)量子器件提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。盡管在石墨烯超導(dǎo)特性研究方面取得了這些顯著進(jìn)展，但仍有許多關(guān)鍵問題亟待解決。轉(zhuǎn)角石墨烯中超導(dǎo)與平帶之間的具體關(guān)系尚未完全明確，超導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制也存在多種理論模型，如聲子介導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制、自旋漲落介導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制等，但目前還缺乏確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)來確定其本質(zhì)。如何制備高質(zhì)量、可重復(fù)性好的石墨烯超導(dǎo)結(jié)樣品，以及如何進(jìn)一步提高石墨烯超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流等性能，仍然是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。這些問題的解決將有助于深入理解石墨烯超導(dǎo)的物理本質(zhì)，推動(dòng)石墨烯超導(dǎo)材料在量子信息處理、超導(dǎo)電子學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。3.2石墨烯超導(dǎo)結(jié)的理論基礎(chǔ)超導(dǎo)結(jié)，作為超導(dǎo)物理領(lǐng)域的關(guān)鍵研究對(duì)象，其基本原理蘊(yùn)含著深刻的量子力學(xué)內(nèi)涵。超導(dǎo)結(jié)通常由兩個(gè)超導(dǎo)體通過一個(gè)弱連接區(qū)域連接而成，這個(gè)弱連接區(qū)域可以是薄絕緣層（構(gòu)成超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體，即S-I-S結(jié)）、一小段非超導(dǎo)金屬（S-N-S結(jié)）或者是可弱化接觸點(diǎn)超導(dǎo)性的狹窄部分（S-s-S結(jié)）。在這種結(jié)構(gòu)中，約瑟夫森效應(yīng)是其最核心的物理現(xiàn)象，由英國物理學(xué)家布萊恩?約瑟夫森于1962年從理論上預(yù)言，并在隨后被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。約瑟夫森效應(yīng)主要包括直流約瑟夫森效應(yīng)和交流約瑟夫森效應(yīng)。直流約瑟夫森效應(yīng)表現(xiàn)為，當(dāng)兩個(gè)超導(dǎo)體之間通過一個(gè)很薄的絕緣體層（即約瑟夫森結(jié)）連接時(shí)，即便在零電壓的條件下，超導(dǎo)電子對(duì)（庫珀對(duì)）也能夠通過量子隧穿效應(yīng)穿過這個(gè)薄層，形成超導(dǎo)電流。這一現(xiàn)象可以用公式I_s=I_c\cdotsin(\Delta\varphi)來描述，其中I_s是通過約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)電流，I_c是約瑟夫森結(jié)的臨界電流，\Delta\varphi是兩個(gè)超導(dǎo)體之間的相位差。這意味著只要相位差不為零，就能夠在結(jié)中產(chǎn)生超導(dǎo)電流，且該電流的大小僅由相位差決定，不涉及能量耗散，充分體現(xiàn)了量子相干性的獨(dú)特性質(zhì)。交流約瑟夫森效應(yīng)則是指，當(dāng)在約瑟夫森結(jié)上施加一個(gè)直流電壓V時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)時(shí)間上變化的相位差。根據(jù)公式\frac{d\Delta\varphi}{dt}=\frac{2eV}{\hbar}，其中e是電子的電荷，\hbar是約化普朗克常數(shù)，相位差隨時(shí)間的變化會(huì)導(dǎo)致通過結(jié)的超導(dǎo)電流也隨時(shí)間發(fā)生變化。交流超導(dǎo)電流的頻率f=\frac{2eV}{2\pi\hbar}，與施加的電壓成正比。這一效應(yīng)使得超導(dǎo)電壓和頻率之間建立了精確的關(guān)系，為量子計(jì)量學(xué)提供了重要的基礎(chǔ)，例如利用約瑟夫森結(jié)可以實(shí)現(xiàn)精確的電壓標(biāo)準(zhǔn)。在石墨烯超導(dǎo)結(jié)中，電子配對(duì)機(jī)制是理解其超導(dǎo)特性的關(guān)鍵。目前，關(guān)于石墨烯超導(dǎo)結(jié)中的電子配對(duì)機(jī)制存在多種理論模型。其中，聲子介導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制是一種較為傳統(tǒng)的理論。在這種模型中，電子-聲子相互作用起著關(guān)鍵作用。當(dāng)電子在石墨烯中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子相互作用，這種相互作用使得電子之間產(chǎn)生間接的吸引力，從而形成庫珀對(duì)。具體來說，一個(gè)電子會(huì)使周圍的晶格發(fā)生畸變，形成一個(gè)正電荷密度增加的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域會(huì)吸引另一個(gè)電子，通過聲子的媒介作用，兩個(gè)電子配對(duì)形成庫珀對(duì)。這種配對(duì)機(jī)制在許多傳統(tǒng)超導(dǎo)體中得到了廣泛的認(rèn)可，并且在解釋一些石墨烯超導(dǎo)結(jié)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)也具有一定的合理性。自旋漲落介導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制也是研究熱點(diǎn)之一。石墨烯具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，其中電子的自旋-軌道耦合作用相對(duì)較弱，使得自旋漲落對(duì)電子配對(duì)的影響變得較為顯著。在這種機(jī)制下，電子之間的相互作用通過自旋漲落來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電子的自旋狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起周圍電子自旋的響應(yīng)，形成自旋漲落。這些自旋漲落可以為電子提供額外的吸引力，促使電子配對(duì)形成庫珀對(duì)。與聲子介導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制不同，自旋漲落介導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制更強(qiáng)調(diào)電子自旋的作用，并且在一些實(shí)驗(yàn)中觀察到的與自旋相關(guān)的現(xiàn)象，如磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)特性的影響等，能夠用這種機(jī)制進(jìn)行解釋。轉(zhuǎn)角石墨烯中超導(dǎo)與平帶之間的關(guān)系也是理論研究的重點(diǎn)。在轉(zhuǎn)角多層石墨烯莫爾超晶格系統(tǒng)中，由于層間的相對(duì)轉(zhuǎn)角，會(huì)形成莫爾超晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)平帶。平帶的出現(xiàn)使得電子的動(dòng)能大幅降低，電子之間的相互作用增強(qiáng)，為超導(dǎo)的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。一些理論研究認(rèn)為，超導(dǎo)與平帶之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，平帶中的電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)可能是導(dǎo)致超導(dǎo)的重要原因。通過數(shù)值計(jì)算和理論模型分析發(fā)現(xiàn)，在平帶附近，電子之間的相互作用能夠克服電子之間的庫侖排斥力，使得電子配對(duì)形成庫珀對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。然而，關(guān)于超導(dǎo)與平帶之間的具體關(guān)系，目前仍存在諸多爭議，不同的理論模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間尚未完全達(dá)成一致，需要進(jìn)一步深入研究。3.3石墨烯超導(dǎo)結(jié)的制備方法3.3.1材料選擇與預(yù)處理在制備石墨烯超導(dǎo)結(jié)時(shí)，材料的選擇與預(yù)處理是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響著超導(dǎo)結(jié)的性能和質(zhì)量。對(duì)于石墨烯材料的選擇，機(jī)械剝離法和化學(xué)氣相沉積法（CVD）是常用的制備高質(zhì)量石墨烯的方法。機(jī)械剝離法能夠制備出高質(zhì)量、缺陷少的石墨烯。它利用膠帶等工具從高定向熱解石墨上直接剝離石墨烯薄片，這種方法操作相對(duì)簡單，能最大程度地保留石墨烯的本征特性。通過多次剝離和篩選，可以得到單層或少數(shù)層的高質(zhì)量石墨烯，其原子結(jié)構(gòu)完整，缺陷密度低，為制備高性能的石墨烯超導(dǎo)結(jié)提供了優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。然而，機(jī)械剝離法制備的石墨烯尺寸較小，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，限制了其在一些需要大面積石墨烯的應(yīng)用場(chǎng)景中的使用?；瘜W(xué)氣相沉積法（CVD）則可以在較大面積的襯底上生長石墨烯，適合大規(guī)模制備。該方法以甲烷（CH?）、乙烯（C?H?）等碳源氣體為原料，在高溫和催化劑的作用下，碳源氣體分解產(chǎn)生碳原子，這些碳原子在襯底表面沉積并逐漸生長形成石墨烯。在生長過程中，通過精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量和生長時(shí)間等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯層數(shù)和質(zhì)量的有效調(diào)控。將反應(yīng)溫度控制在1000-1100℃，甲烷流量控制在20-30sccm，生長時(shí)間為30-60分鐘，能夠在銅箔襯底上生長出高質(zhì)量的單層石墨烯。CVD法生長的石墨烯在大規(guī)模電子器件制備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但由于生長過程中可能引入雜質(zhì)和缺陷，需要對(duì)生長后的石墨烯進(jìn)行后續(xù)處理以提高其質(zhì)量。在選擇合適的石墨烯材料后，需對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)移和清潔處理。對(duì)于通過CVD法生長在金屬襯底上的石墨烯，常用的轉(zhuǎn)移方法是采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）輔助轉(zhuǎn)移技術(shù)。首先，在生長有石墨烯的金屬襯底表面旋涂一層PMMA，形成均勻的PMMA薄膜，然后將襯底浸泡在腐蝕液（如FeCl?溶液用于腐蝕銅襯底）中，將金屬襯底腐蝕掉，此時(shí)石墨烯與PMMA緊密結(jié)合在一起。接著，將帶有石墨烯的PMMA薄膜轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底（如SiO?/Si襯底）上，通過加熱和溶劑清洗等步驟，去除PMMA，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯在目標(biāo)襯底上的轉(zhuǎn)移。在轉(zhuǎn)移過程中，需注意控制溫度和清洗條件，避免對(duì)石墨烯造成損傷。清潔處理也是必不可少的步驟，以去除石墨烯表面的雜質(zhì)和污染物。采用氧等離子體處理的方法，將轉(zhuǎn)移后的石墨烯樣品放入等離子體清洗機(jī)中，通入適量的氧氣（O?），在一定的功率和氣壓下，對(duì)石墨烯表面進(jìn)行處理。等離子體中的高能氧離子能夠與石墨烯表面的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其氧化并去除。處理時(shí)間一般為5-10分鐘，功率設(shè)置為50-100W，氣壓控制在10-20Pa。之后，用去離子水對(duì)石墨烯樣品進(jìn)行多次沖洗，去除殘留的雜質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)物，確保石墨烯表面的清潔，為后續(xù)的超導(dǎo)結(jié)制備提供干凈的材料表面。3.3.2電極制備與接觸電極作為石墨烯超導(dǎo)結(jié)的關(guān)鍵組成部分，其材料的選擇和制備方法對(duì)超導(dǎo)結(jié)的性能有著至關(guān)重要的影響。在電極材料選擇方面，常用的超導(dǎo)材料如鈮（Nb）、鋁（Al）等是理想的電極材料。鈮具有較高的臨界溫度（約9.2K）和良好的超導(dǎo)性能，在與石墨烯結(jié)合時(shí)，能夠形成穩(wěn)定的超導(dǎo)接觸。鋁則因其易于制備和與半導(dǎo)體工藝的兼容性，在一些對(duì)制備工藝要求較高的場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用，其臨界溫度為1.18K。這些超導(dǎo)材料能夠與石墨烯形成有效的超導(dǎo)耦合，為超導(dǎo)電流的傳輸提供良好的通道。在制備電極時(shí)，電子束蒸發(fā)和磁控濺射是常用的技術(shù)。以電子束蒸發(fā)制備鈮電極為例，首先將鈮靶材放置在電子束蒸發(fā)設(shè)備的坩堝中，將基片（如帶有石墨烯的SiO?/Si襯底）固定在蒸發(fā)室的樣品臺(tái)上。在高真空環(huán)境下（一般真空度達(dá)到10??-10??Pa），通過電子束加熱鈮靶材，使其蒸發(fā)。蒸發(fā)的鈮原子在基片表面沉積并逐漸生長，形成所需厚度的鈮電極。通過精確控制電子束的功率和蒸發(fā)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電極厚度的精確控制。當(dāng)電子束功率為1000-1500W，蒸發(fā)時(shí)間為10-15分鐘時(shí)，能夠在基片上制備出厚度約為100-150nm的鈮電極。磁控濺射制備鋁電極時(shí)，將鋁靶材安裝在磁控濺射設(shè)備的陰極，基片放置在陽極。在氬氣（Ar）氣氛下，通過射頻電源或直流電源在陰陽極之間產(chǎn)生等離子體。氬離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊鋁靶材，使鋁原子濺射出來，并在基片表面沉積形成鋁電極。通過調(diào)節(jié)濺射功率、濺射時(shí)間和氬氣流量等參數(shù)，可以控制鋁電極的厚度和質(zhì)量。當(dāng)濺射功率為150-200W，濺射時(shí)間為15-20分鐘，氬氣流量為20-30sccm時(shí)，可制備出均勻性良好、厚度約為120-180nm的鋁電極。電極與石墨烯之間的接觸工藝是影響超導(dǎo)結(jié)性能的關(guān)鍵因素，其中接觸電阻是衡量接觸質(zhì)量的重要指標(biāo)。為降低接觸電阻，采用金屬緩沖層是一種有效的方法。在石墨烯與鈮電極之間引入一層鈦（Ti）作為緩沖層。鈦具有良好的粘附性，能夠與石墨烯和鈮電極緊密結(jié)合。在制備過程中，先通過電子束蒸發(fā)在石墨烯表面沉積一層厚度約為5-10nm的鈦緩沖層，然后再在鈦緩沖層上沉積鈮電極。這樣的結(jié)構(gòu)可以有效改善電極與石墨烯之間的接觸，降低接觸電阻。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，引入鈦緩沖層后，接觸電阻可降低約30%-40%。退火處理也是優(yōu)化接觸的重要手段。在制備好電極后，將樣品放入高溫退火爐中，在一定的溫度和氣氛下進(jìn)行退火處理。對(duì)于鈮電極與石墨烯的接觸，在氮?dú)猓∟?）氣氛下，將退火溫度設(shè)置為300-400℃，退火時(shí)間為30-60分鐘。退火過程中，原子的熱運(yùn)動(dòng)使電極與石墨烯之間的界面更加緊密，促進(jìn)了電子的傳輸，從而進(jìn)一步降低接觸電阻。經(jīng)過退火處理后，接觸電阻可再降低約10%-20%，有效提高了超導(dǎo)結(jié)的性能。3.3.3異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建構(gòu)建石墨烯與其他材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是探索石墨烯超導(dǎo)結(jié)特性的重要研究方向，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)，為超導(dǎo)領(lǐng)域的研究提供新的思路和方法。在眾多可與石墨烯構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料中，二硒化鎢（WSe?）因其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注。二硒化鎢是一種過渡金屬硫族化合物，具有層狀結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度約為1.3-1.5eV，在光電器件和超導(dǎo)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。制備石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)械堆疊和化學(xué)氣相沉積法是常用的方法。機(jī)械堆疊法操作相對(duì)簡單，能夠較好地保留材料的本征特性。首先，通過機(jī)械剝離法分別制備出高質(zhì)量的石墨烯和二硒化鎢薄片。利用膠帶從高定向熱解石墨上剝離出單層或少數(shù)層石墨烯，從二硒化鎢晶體上剝離出厚度合適的二硒化鎢薄片。然后，使用高精度的微操縱系統(tǒng)，將石墨烯和二硒化鎢薄片按照預(yù)定的順序和位置進(jìn)行堆疊。在堆疊過程中，需精確控制薄片之間的相對(duì)位置和角度，以確保異質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。通過原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）等表征手段，可以對(duì)堆疊后的異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，觀察其微觀結(jié)構(gòu)和界面情況。化學(xué)氣相沉積法（CVD）則可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的原位生長，有利于形成高質(zhì)量的界面。在生長過程中，以甲烷（CH?）為石墨烯的碳源，以二硒化鎢粉末為二硒化鎢的源材料。將基片（如藍(lán)寶石襯底）放置在CVD設(shè)備的反應(yīng)腔中，在高溫和催化劑的作用下，甲烷分解產(chǎn)生碳原子，二硒化鎢粉末升華產(chǎn)生鎢和硒原子。這些原子在基片表面沉積并反應(yīng)，逐漸生長形成石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量和生長時(shí)間等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)層數(shù)和質(zhì)量的有效調(diào)控。將反應(yīng)溫度控制在900-1000℃，甲烷流量控制在15-25sccm，二硒化鎢粉末的蒸發(fā)速率控制在一定范圍內(nèi)，生長時(shí)間為40-60分鐘，能夠在藍(lán)寶石襯底上生長出高質(zhì)量的石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)超導(dǎo)性能的影響是多方面的。從電子結(jié)構(gòu)的角度來看，石墨烯與二硒化鎢之間的界面相互作用會(huì)導(dǎo)致電子態(tài)的重新分布。通過角分辨光電子能譜（ARPES）等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以觀測(cè)到異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電子能帶的變化。在石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，由于界面處的電荷轉(zhuǎn)移和軌道雜化，石墨烯的電子能帶會(huì)發(fā)生明顯的變化，出現(xiàn)新的電子態(tài)。這種電子態(tài)的變化會(huì)影響超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制，可能導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流等超導(dǎo)性能的改變。近鄰效應(yīng)也是異質(zhì)結(jié)構(gòu)影響超導(dǎo)性能的重要因素。在石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，二硒化鎢的超導(dǎo)特性會(huì)通過近鄰效應(yīng)影響石墨烯。當(dāng)二硒化鎢處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其超導(dǎo)電子對(duì)會(huì)通過界面擴(kuò)散到石墨烯中，使石墨烯在一定程度上表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。通過低溫輸運(yùn)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)手段，可以觀測(cè)到異質(zhì)結(jié)構(gòu)在低溫下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在特定的條件下，石墨烯與二硒化鎢異質(zhì)結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相比單一的石墨烯或二硒化鎢有所提高，這為提高石墨烯超導(dǎo)結(jié)的性能提供了新的途徑。3.4性能測(cè)試與分析3.4.1測(cè)試方法與設(shè)備為了深入研究石墨烯超導(dǎo)結(jié)的性能，采用了一系列先進(jìn)的測(cè)試方法和設(shè)備，這些方法和設(shè)備能夠從不同角度對(duì)超導(dǎo)結(jié)的物理特性進(jìn)行精確測(cè)量和分析。極低溫量子輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)是研究石墨烯超導(dǎo)結(jié)電學(xué)特性的關(guān)鍵設(shè)備。該系統(tǒng)能夠在極低溫環(huán)境下（通常可達(dá)到10mK以下），精確測(cè)量超導(dǎo)結(jié)的電流-電壓（I-V）特性。將制備好的石墨烯超導(dǎo)結(jié)樣品放置在極低溫環(huán)境中，通過與低溫環(huán)境兼容的電極與測(cè)量系統(tǒng)相連。在測(cè)量過程中，采用四探針法來測(cè)量電流和電壓，以消除電極電阻和接觸電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。通過精確控制施加在超導(dǎo)結(jié)兩端的電壓，測(cè)量通過超導(dǎo)結(jié)的電流，從而得到I-V曲線。在測(cè)量過程中，電壓的掃描范圍一般設(shè)置為從-100μV到100μV，掃描步長為0.1μV，這樣能夠詳細(xì)地獲取超導(dǎo)結(jié)在不同電壓下的電學(xué)響應(yīng)。利用該系統(tǒng)還可以測(cè)量超導(dǎo)結(jié)的臨界電流（Ic）。臨界電流是超導(dǎo)結(jié)的一個(gè)重要參數(shù)，它表示超導(dǎo)結(jié)能夠承載的最大超導(dǎo)電流，超過這個(gè)電流，超導(dǎo)結(jié)將失去超導(dǎo)特性，進(jìn)入正常態(tài)。測(cè)量臨界電流時(shí)，采用逐漸增加電流的方式，當(dāng)超導(dǎo)結(jié)兩端出現(xiàn)電壓時(shí)，此時(shí)的電流即為臨界電流。在測(cè)量過程中，電流的增加速率一般控制在1nA/s左右，以確保能夠準(zhǔn)確地捕捉到超導(dǎo)結(jié)從超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變。掃描隧道顯微鏡（STM）是研究石墨烯超導(dǎo)結(jié)微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)的重要工具。STM利用量子隧穿效應(yīng)，通過將尖銳的探針與樣品表面保持非常近的距離（通常在原子尺度），在探針和樣品之間施加一定的電壓，當(dāng)探針靠近樣品表面時(shí)，電子會(huì)通過量子隧穿效應(yīng)從探針?biāo)泶┑綐悠繁砻?，形成隧道電流。通過精確控制探針的位置和施加的電壓，可以測(cè)量隧道電流隨探針位置和電壓的變化關(guān)系，從而獲得樣品表面的原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)信息。在研究石墨烯超導(dǎo)結(jié)時(shí)，STM可以用于觀察石墨烯與電極之間的界面結(jié)構(gòu)，以及超導(dǎo)結(jié)表面的原子排列情況。通過STM的高分辨率成像，可以清晰地看到石墨烯的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，以及電極與石墨烯之間的接觸界面。還可以利用STM測(cè)量超導(dǎo)結(jié)的局域態(tài)密度（LDOS），局域態(tài)密度反映了在特定位置和能量下電子的態(tài)密度分布情況，對(duì)于研究超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)能隙和配對(duì)機(jī)制具有重要意義。在測(cè)量局域態(tài)密度時(shí)，通過在探針和樣品之間施加不同的偏壓，測(cè)量隧道電流隨偏壓的變化，進(jìn)而得到局域態(tài)密度隨能量的變化曲線。原子力顯微鏡（AFM）也是常用的表征工具之一，它主要用于研究石墨烯超導(dǎo)結(jié)的表面形貌和粗糙度。AFM通過一個(gè)微小的探針在樣品表面掃描，探針與樣品表面之間存在微弱的相互作用力，當(dāng)探針在樣品表面移動(dòng)時(shí)，由于表面形貌的起伏，探針與樣品之間的相互作用力會(huì)發(fā)生變化，通過檢測(cè)這種力的變化，可以得到樣品表面的形貌信息。在研究石墨烯超導(dǎo)結(jié)時(shí)，AFM可以清晰地顯示出石墨烯的層數(shù)、褶皺情況以及超導(dǎo)結(jié)表面的平整度。通過對(duì)AFM圖像的分析，可以測(cè)量石墨烯的厚度和表面粗糙度，一般來說，高質(zhì)量的石墨烯超導(dǎo)結(jié)，其石墨烯的厚度應(yīng)均勻，表面粗糙度應(yīng)小于0.5nm。3.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論通過一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到了關(guān)于石墨烯超導(dǎo)結(jié)性能的重要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為深入理解石墨烯超導(dǎo)結(jié)的物理特性和超導(dǎo)機(jī)制提供了關(guān)鍵依據(jù)。在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）的測(cè)試中，通過極低溫量子輸運(yùn)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了石墨烯超導(dǎo)結(jié)的電阻隨溫度的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的降低，當(dāng)溫度接近某一特定值時(shí)，石墨烯超導(dǎo)結(jié)的電阻急劇下降，趨近于零，這一溫度即為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。在本實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得的石墨烯超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為350mK。這一結(jié)果與上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在單晶石墨烯中觀測(cè)到的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（空穴端約為450mK，電子端約為300mK）處于相近的溫度范圍，進(jìn)一步驗(yàn)證了在類似的石墨烯體系中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度具有一定的規(guī)律性。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與理論模型的一致性分析是研究的重要內(nèi)容。根據(jù)BCS理論，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與電子-聲子相互作用強(qiáng)度以及材料的德拜溫度等因素有關(guān)。在石墨烯超導(dǎo)結(jié)中，雖然電子-聲子相互作用相對(duì)較弱，但由于石墨烯的特殊二維結(jié)構(gòu)，電子之間的庫侖相互作用和量子漲落等因素可能對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度產(chǎn)生重要影響。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的變化趨勢(shì)與一些考慮了電子-電子相互作用和量子漲落的理論模型具有一定的一致性。在較低的載流子濃度下，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度隨著載流子濃度的增加而升高，這與理論模型中預(yù)測(cè)的電子-電子相互作用增強(qiáng)導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度升高的趨勢(shì)相符。臨界電流（Ic）的測(cè)試結(jié)果顯示，石墨烯超導(dǎo)結(jié)的臨界電流與超導(dǎo)結(jié)的尺寸、電極與石墨烯之間的接觸質(zhì)量以及溫度等因素密切相關(guān)。在一定的溫度下，隨著超導(dǎo)結(jié)尺寸的減小，臨界電流呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)槌瑢?dǎo)結(jié)尺寸的減小會(huì)導(dǎo)致邊緣效應(yīng)增強(qiáng)，電子在邊緣處的散射增加，從而降低了超導(dǎo)電流的承載能力。電極與石墨烯之間的接觸質(zhì)量對(duì)臨界電流也有顯著影響，良好的接觸能夠降低接觸電阻，提高超導(dǎo)電流的傳輸效率，從而增大臨界電流。在實(shí)驗(yàn)中，通過優(yōu)化電極與石墨烯之間的接觸工藝，如采用金屬緩沖層和退火處理等方法，使得臨界電流得到了顯著提高。在引入鈦緩沖層并進(jìn)行退火處理后，臨界電流提高了約50%。磁場(chǎng)依賴性的測(cè)試結(jié)果表明，石墨烯超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)性能對(duì)磁場(chǎng)非常敏感。隨著外加磁場(chǎng)的增加，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流都會(huì)逐漸降低。當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，超導(dǎo)結(jié)會(huì)完全失去超導(dǎo)特性，進(jìn)入正常態(tài)。這一現(xiàn)象可以用超導(dǎo)的唯象理論來解釋，外加磁場(chǎng)會(huì)破壞超導(dǎo)電子對(duì)的相干性，導(dǎo)致超導(dǎo)能隙減小，從而降低超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流。在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了不同磁場(chǎng)下超導(dǎo)結(jié)的臨界電流，發(fā)現(xiàn)臨界電流隨磁場(chǎng)的變化符合Silsbee法則，即臨界電流與磁場(chǎng)之間滿足Ic(H)=Ic(0)(1-H/Hc)的關(guān)系，其中Ic(0)是零磁場(chǎng)下的臨界電流，Hc是臨界磁場(chǎng)。通過對(duì)石墨烯超導(dǎo)結(jié)性能測(cè)試結(jié)果的深入分析，雖然在一定程度上驗(yàn)證了一些理論模型的正確性，但仍存在許多未解決的問題。超導(dǎo)的配對(duì)機(jī)制仍然存在爭議，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和理論研究來確定。未來的研究可以通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，提高測(cè)試精度，深入探究石墨烯超導(dǎo)結(jié)的性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為揭示石墨烯超導(dǎo)的本質(zhì)提供更有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。四、MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔與石墨烯超導(dǎo)結(jié)的關(guān)聯(lián)研究4.1兩者結(jié)合的應(yīng)用前景將MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔與石墨烯超導(dǎo)結(jié)相結(jié)合，在量子比特讀出、量子計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，有望為這些領(lǐng)域帶來創(chuàng)新性的突破和發(fā)展。在量子比特讀出方面，MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的高品質(zhì)因數(shù)（Q值）和穩(wěn)定的性能，使其成為量子比特讀出的理想選擇。通過將石墨烯超導(dǎo)結(jié)與MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔進(jìn)行集成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯超導(dǎo)結(jié)中量子比特狀態(tài)的高效、精確讀出。石墨烯超導(dǎo)結(jié)具有獨(dú)特的電學(xué)特性，其超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)之間的轉(zhuǎn)變可以通過外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，這種特性使得石墨烯超導(dǎo)結(jié)成為量子比特的潛在候選者。當(dāng)石墨烯超導(dǎo)結(jié)中的量子比特處于不同狀態(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)微波超導(dǎo)平面腔的諧振特性產(chǎn)生影響，通過精確測(cè)量微波超導(dǎo)平面腔的諧振頻率、Q值等參數(shù)的變化，就能夠準(zhǔn)確地獲取量子比特的狀態(tài)信息。這種結(jié)合方式能夠提高量子比特讀出的靈敏度和準(zhǔn)確性。MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔的高Q值意味著其對(duì)微小的擾動(dòng)具有較高的響應(yīng)靈敏度，而石墨烯超導(dǎo)結(jié)與微波超導(dǎo)平面腔的強(qiáng)耦合作用，使得量子比特狀態(tài)的變化能夠更有效地傳遞到微波超導(dǎo)平面腔中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子比特狀態(tài)的高精度讀出。與傳統(tǒng)的量子比特讀出方法相比，這種基于MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔和石墨烯超導(dǎo)結(jié)的讀出方案，能夠降低讀出噪聲，提高讀出保真度，為量子計(jì)算的可靠性提供有力保障。在量子計(jì)算領(lǐng)域，兩者的結(jié)合為實(shí)現(xiàn)多比特長程耦合提供了新的途徑。量子計(jì)算的核心挑戰(zhàn)之一是實(shí)現(xiàn)多個(gè)量子比特之間的有效耦合，以執(zhí)行復(fù)雜的量子算法。MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔可以作為量子比特之間的耦合媒介，通過微波光子的介導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)不同量子比特之間的長程相互作用。石墨烯超導(dǎo)結(jié)由于其二維結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的電子特性，能夠與微波超導(dǎo)平面腔形成良好的耦合，并且可以通過微納加工技術(shù)精確地控制其位置和耦合強(qiáng)度。通過合理設(shè)計(jì)MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔和石墨烯超導(dǎo)結(jié)的布局和耦合方式，可以構(gòu)建出高性能的量子比特陣列。在這個(gè)陣列中，不同的石墨烯超導(dǎo)結(jié)量子比特可以通過微波超導(dǎo)平面腔實(shí)現(xiàn)高效的耦合，從而實(shí)現(xiàn)多比特量子門操作和量子糾纏態(tài)的制備。這種基于MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔和石墨烯超導(dǎo)結(jié)的量子比特陣列，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、耦合強(qiáng)度可調(diào)和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算提供了一種極具潛力的技術(shù)方案。在未來的量子計(jì)算機(jī)中，這種結(jié)合方式有望成為構(gòu)建量子比特核心部件的關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，為解決復(fù)雜的科學(xué)問題和實(shí)際應(yīng)用中的難題提供強(qiáng)大的計(jì)算能力。4.2相互作用機(jī)制分析當(dāng)MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔與石墨烯超導(dǎo)結(jié)相結(jié)合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種相互作用機(jī)制，這些機(jī)制對(duì)超導(dǎo)性能有著復(fù)雜而深刻的影響，是理解兩者協(xié)同工作原理的關(guān)鍵。電磁耦合是兩者相互作用的重要機(jī)制之一。MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔能夠在腔內(nèi)產(chǎn)生特定頻率和模式的電磁場(chǎng)，而石墨烯超導(dǎo)結(jié)作為一種具有獨(dú)特電學(xué)性質(zhì)的二維材料，會(huì)與這種電磁場(chǎng)發(fā)生相互作用。從理論上分析，當(dāng)微波超導(dǎo)平面腔工作在特定諧振模式下，腔內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布具有特定的空間模式。在TE_{101}模式下，電場(chǎng)在腔的中心區(qū)域最強(qiáng)，且在x方向呈正弦分布，在y方向?yàn)榱?；磁?chǎng)則在腔壁附近較強(qiáng)，且在z方向呈正弦分布。當(dāng)石墨烯超導(dǎo)結(jié)放置在微波超導(dǎo)平面腔的近場(chǎng)區(qū)域時(shí)，超導(dǎo)結(jié)中的電子會(huì)受到腔內(nèi)電磁場(chǎng)的作用。根據(jù)麥克斯韋方程組，變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，這種電磁相互作用會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)結(jié)中的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。在量子比特讀出應(yīng)用中，當(dāng)石墨烯超導(dǎo)結(jié)中的量子比特狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起超導(dǎo)結(jié)電學(xué)性質(zhì)的改變，進(jìn)而影響微波超導(dǎo)平面腔的諧振特性。超導(dǎo)結(jié)中的電子配對(duì)狀態(tài)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致其電阻和電感等電學(xué)參數(shù)改變，這會(huì)對(duì)微波超導(dǎo)平面腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)（Q值）產(chǎn)生影響。通過精確測(cè)量微波超導(dǎo)平面腔的這些參數(shù)變化，就能夠獲取石墨烯超導(dǎo)結(jié)中量子比特的狀態(tài)信息。根據(jù)電路理論，諧振頻率f與電感L和電容C的關(guān)系為f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}，當(dāng)超導(dǎo)結(jié)的電感發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致微波超導(dǎo)平面腔的諧振頻率發(fā)生相應(yīng)的改變。近鄰效應(yīng)也是兩者相互作用的重要方面。由于MoRe合金和石墨烯超導(dǎo)結(jié)緊密接觸，MoRe合金的超導(dǎo)特性會(huì)通過近鄰效應(yīng)影響石墨烯超導(dǎo)結(jié)。在MoRe合金處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其內(nèi)部存在庫珀對(duì)，這些庫珀對(duì)具有相干性。根據(jù)超導(dǎo)理論，庫珀對(duì)是由兩個(gè)電子通過聲子介導(dǎo)等機(jī)制形成的束縛態(tài)，它們具有相同的動(dòng)量和相反的自旋。當(dāng)MoRe合金與石墨烯超導(dǎo)結(jié)接觸時(shí)，MoRe合金中的庫珀對(duì)會(huì)通過界面擴(kuò)散到石墨烯超導(dǎo)結(jié)中，使得石墨烯超導(dǎo)結(jié)在一定程度上也表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。這種近鄰效應(yīng)會(huì)對(duì)石墨烯超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流等性能產(chǎn)生影響。從理論上來說，近鄰效應(yīng)會(huì)使得石墨烯超導(dǎo)結(jié)中的電子受到MoRe合金中庫珀對(duì)的影響，增強(qiáng)電子之間的配對(duì)作用，從而有可能提高石墨烯超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。近鄰效應(yīng)還會(huì)改變石墨烯超導(dǎo)結(jié)中的電流分布，使得臨界電流發(fā)生變化。當(dāng)MoRe合金中的庫珀對(duì)擴(kuò)散到石墨烯超導(dǎo)結(jié)中時(shí)，會(huì)在石墨烯超導(dǎo)結(jié)中形成額外的超導(dǎo)電流通道，這會(huì)增加超導(dǎo)結(jié)能夠承載的最大電流，即提高臨界電流。兩者之間的相互作用還可能涉及到界面處的電子態(tài)重構(gòu)。MoRe合金與石墨烯超導(dǎo)結(jié)的界面處，由于兩種材料的電子結(jié)構(gòu)不同，會(huì)發(fā)生電子的重新分布和態(tài)的重構(gòu)。根據(jù)量子力學(xué)原理，電子在不同材料的界面處會(huì)受到界面勢(shì)壘的影響，導(dǎo)致電子的波函數(shù)發(fā)生變化，從而使得電子態(tài)發(fā)生重構(gòu)。這種電子態(tài)重構(gòu)會(huì)影響電子的輸運(yùn)特性和超導(dǎo)性能。界面處可能會(huì)出現(xiàn)新的電子態(tài)，這些電子態(tài)可能具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，會(huì)對(duì)超導(dǎo)結(jié)的臨界電流和超導(dǎo)能隙等產(chǎn)生影響。新的電子態(tài)可能會(huì)改變電子之間的相互作用強(qiáng)度，進(jìn)而影響超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制，導(dǎo)致超導(dǎo)能隙的大小和對(duì)稱性發(fā)生變化。4.3協(xié)同優(yōu)化策略為了充分發(fā)揮MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔與石墨烯超導(dǎo)結(jié)相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)兩者性能的協(xié)同優(yōu)化，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝等方面提出以下優(yōu)化策略。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，需要深入研究MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔與石墨烯超導(dǎo)結(jié)的最佳耦合方式。通過電磁仿真軟件，精確模擬不同耦合結(jié)構(gòu)下兩者之間的電磁相互作用，分析耦合強(qiáng)度、耦合位置等因素對(duì)超導(dǎo)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯超導(dǎo)結(jié)位于微波超導(dǎo)平面腔電場(chǎng)最強(qiáng)的區(qū)域時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較強(qiáng)的耦合，但同時(shí)也可能引入較大的損耗。因此，需要在耦合強(qiáng)度和損耗之間尋找平衡，通過優(yōu)化石墨烯超導(dǎo)結(jié)的位置和取向，使兩者之間的耦合達(dá)到最佳狀態(tài)，以提高量子比特讀出的靈敏度和多比特長程耦合的效率?？梢詫⑹┏瑢?dǎo)結(jié)放置在距離微波超導(dǎo)平面腔中心一定距離的位置，通過調(diào)整其與腔壁的夾角，使耦合強(qiáng)度適中，同時(shí)降低損耗。在制備工藝方面，要優(yōu)化MoRe合金薄膜的制備工藝，提高薄膜的質(zhì)量和均勻性。進(jìn)一步研究磁控濺射鍍膜工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響，如優(yōu)化濺射功率、濺射時(shí)間、靶材與襯底的距離等參數(shù)，以獲得更加均勻、致密的MoRe薄膜。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濺射功率在120-150W，濺射時(shí)間為35-45分鐘，靶材與襯底的距離為9-11cm時(shí)，制備的MoRe薄膜質(zhì)量較好，超導(dǎo)性能穩(wěn)定。在光刻和刻蝕工藝中，采用更先進(jìn)的光刻技術(shù)，如極紫外光刻（EUV），可以提高光刻精度，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的結(jié)構(gòu)制備，減少光刻過程中的圖形畸變和缺陷，從而提高M(jìn)oRe合金微波超導(dǎo)平面腔的性能。對(duì)于石墨烯超導(dǎo)結(jié)的制備，優(yōu)化材料選擇和制備方法是關(guān)鍵。在材料選擇上，進(jìn)一步探索適合與MoRe合金微波超導(dǎo)平面腔結(jié)合的石墨烯材料，如通過改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法（CVD），制備出缺陷更少、質(zhì)量更高的石墨烯。在CVD生長過程中，精確控制碳源氣體的流量、生長溫度和生長時(shí)間等參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的石墨烯。當(dāng)甲烷流量為25-35sccm，生長溫度為1050-1150℃，生長時(shí)間為45-60分鐘時(shí)，能夠生長出高質(zhì)量的單層石墨烯。在電極制備和接觸工藝中，采用新的電極材料和制備技術(shù)，如使用鈮鈦氮（NbTiN）作為電極材料，結(jié)合原子層沉積（ALD）技術(shù)制備電極，能夠提高電極與石墨烯之間的接觸質(zhì)量，降低接觸電阻，從而提高石墨烯超導(dǎo)結(jié)的性能。還可以通過界面工程來優(yōu)化兩者之間的界面性能。在MoRe合金與石墨烯超導(dǎo)結(jié)的界面處，引入合適的緩沖層或界面修飾層，改善界面的電子傳輸特性和超導(dǎo)性能。在界面處引入一層薄的氧化鋁（Al?O?）緩沖層，通過原子層沉積技術(shù)精確控制其厚度在1-3nm之間，能夠有效改善界面的電子態(tài)，增強(qiáng)近鄰效應(yīng)，提高石墨烯超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流。通過這些協(xié)同優(yōu)化策略，可