超导约瑟夫森结是一种宏观量子器件,具有约瑟夫森效应、量子化能级、高非线性、低功耗、量子极限灵敏度等特征,因而,对其特性及应用前景的研究受到极其广泛地重视。在传统超导电子学中,有超导量子干涉仪、毫米波/亚毫米波的产生及检测、约瑟夫森电压基准等应用;在现代超导电子学中,可应用于量子计算、量子信息、量子精密测量等。约瑟夫森结的诸多参数,如临界电流、正常态电阻、回滞系数等,决定了约瑟夫森器件的性能。以超导量子比特为例,其量子能级、量子态弛豫时间等各种特性,无不与结的超导特性相关。传统约瑟夫森结一旦制备完毕,其物理尺寸就已确定,各种超导特性就随之固定。因而,研制出适合不同超导量子研究领域、可调控的约瑟夫森结,就显得尤为重要。本论文以现代超导电子学应用为目的,从器件研制技术创新出发,着重研究了超导结的物理特性及其性能的调控,如提高超导结的一致性、可靠性,并优化其量子性能;用电场调节势垒层的载流子浓度,实现对新型约瑟夫森结量子特性的原位调控。主要取得如下研究成果:1.基于无“多兰桥”制备技术,在硅衬底上制备出Al/AlOx/Al约瑟夫森结,成功测得拉比振荡和能量弛豫等量子特性。此外,采用聚合物导电胶代替金属导电层,显著减小电子束前向散射,提高了图形质量,在蓝宝石衬底上制备出高质量超导结。系统研究并采用低温显影法,提高了约瑟夫森结制备工艺的可靠性和器件特性的一致性。2.研发了原位微加工制备工艺,采用新型半导体材料黑磷作为势垒层,成功研制了铌/黑磷/银约瑟夫森结。在低温环境下测得了典型的电阻-电容旁路的特性曲线,微波辐照下,电压-电流曲线出现一系列的Shapiro台阶。此方法不仅适用于研制基于黑磷等对空气环境敏感材料的相关器件,同样可广泛用于基于二维材料约瑟夫森结的研制。3.设计了超导结-双电层场效应管结构,利用离子液体通过外电场调节黑磷势垒层的载流子浓度,从而在不改变器件物理结构的情况下,实现了对铌/黑磷/铌约瑟夫森结的原位调控,超导电流的调制深度可达61%,临界转变温度从5.1K到4.0K。这种新型可原位调控结,未来可用作现代超导电子学的核心元,如二能级人工原子,开展超导量子器件的相关基础和应用研究。