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直流超导量子干涉器件(Direct Current Superconducting QUantum Interference Device，DC-SQUID)具有μΦ0/√Hz量级的磁通灵敏度，是目前最灵敏的磁通传感器。DC-SQUID可以检测任何可以转换成磁通的物理量，如磁场、磁梯度、位移、电流、电压等，已被广泛应用于生物磁、磁共振成像、地球物理、无损检测、科学仪器等极低磁场探测领域。 DC-SQUID已有近50年的发展历史，但至今DC-SQUID器件主要采用工作在4.2K温度下的超导铌(Nb)材料和Nb/Al-AlOx/Nb约瑟夫森结制备而成。由于Nb的超导转变温度Tc为9.5K，在实际应用中，轻微的工作温度波动将会对Nb DC-SQUID器件性能带来影响。研究表明，当工作温度从4.2K变化到5K时，Nb DC-SQUID的噪声明显升高。因此，探索比Nb具有更高Tc的DC-SQUID器件研究是本领域的重要课题之一。 超导氮化铌(NbN)材料具有较高的超导转变温度(Tc＞16K)。自上世纪70年代以来，人们一直尝试采用超导氮化铌(NbN)材料来取代Nb开发DC-SQUID器件。但是，由于NbN的超导相干长度较短、磁场穿透深度较大以及薄膜性质难以控制等因素，至今国际上未能研制成功可以替代Nb的NbN DC-SQUID器件。 本研究以实现NbN DC-SQUID器件为目的，通过探索优化NbN薄膜的生长条件以及NbN/AlN/NbN约瑟夫森结和DC-SQUID器件的制备工艺、实验分析表征DC-SQUID设计参数、噪声性能及温度相关性等，在国际上首次成功制备出高性能的NbNDC-SQUID器件。具体研究内容和结果如下: (1)通过调控磁控溅射的生长条件，在MgO(100)衬底上成功制备出高质量外延生长NbN薄膜和NbN/AlN/NbN三层膜。所制备的NbN薄膜具有较高的超导转变温度(16.7K)、较低的电阻率(58μΩ·cm)和表面粗糙度(0.3nm)。XRD和TEM观测结果表明，NbN薄膜和NbN/AlN/NbN三层膜都显示良好的外延生长特性。 (2)基于NbN/AlN/NbN三层膜，成功制备了不同临界电流密度的NbN/AlN/NbN约瑟夫森结，其质量因子大于20、能隙电压大于5.6mV，并通过控制AlN势垒层的厚度实现了对约瑟夫森结临界电流密度在33A/cm2到27k A/cm2之间的大范围调控。 (3)在掌握NbN薄膜和NbN/AlN/NbN约瑟夫森结制备的基础上，成功研制了NbN DC-SQUID器件，并对器件的电流电压特性、电压磁通特性、噪声谱等进行了测量和分析表征。结果表明，NbN DC-SQUID器件的磁通白噪声低于5μΦ0/√Hz，其噪声性能基本达到Nb DC-SQUID的噪声水平。 (4)通过设计实验定量表征了NbN DC-SQUID器件的电容和电感参数。临界电流密度为40A/cm2时SQUID的单位电容为27fF/μm2，SQUID环路电感与其几何尺寸的经验公式为:L(pH)=2.03a(μm)+0.35b(μm)+1.34d(μm)。 (5)实验验证了NbN DC-SQUID在温度稳定性方面的优越性能。当温度从4.2K升到5K时，磁通灵敏度仅下降5％，证明NbN DC-SQUID在4.2K湓区工作时具有很强的抗温度波动干扰能力;当温度从4.2K升到9K时，NbN DC-SQUID磁通灵敏度下降23％，与Nb SQUID在5K时磁通灵敏度下降20％基本相当，充分显示NbNDC-SQUID比Nb DC-SQUID具有更好的应用前景。 综上，本文在国际上首次成功制备出基于自制的NbN/AlN/NbN约瑟夫森结的高性能NbN DC-SQUID器件，其噪声水平低于5μΦ0/Hz与Nb DC-SQUID基本相当，同时验证了NbN DC-SQUID在温度稳定性方面所具有的优越性能，为今后NbN DC-SQUID的研究和应用奠定了基础。