金刚石对顶砧内高压下的电导率原位测量新方法结题摘要

样品腔空间狭小是金刚石对顶砧（DAC）的主要特征。在进行电阻率测量时，传统的四探针方法所需的实验条件无法满足，不能直接使用。因此，对传统测量方法的改革和修正是必不可少的。本项目的主要设想是基于DAC建立新的电阻率测量方法，克服电阻率准确测量的各种障碍，实现DAC高压下原位电导率的准确测量。 　　根据DAC的轴对称特点，我们建立了新的双电极模型。在金刚石砧面上制备圆形金属薄膜电极并进行绝缘处理，以金属垫片为另一个测量电极，进而构成轴对称的新的双电极构型。采用新的双电极构型，有效消除了电信号测量的旁路效应，保证了测量的准确性。根据这一新方法的特点，我们编制了高压下电阻率测量软件，只需代入电流电压和样品的尺寸参数，就可以直接得出高压下电阻率的数据，简化了数据处理过程。此外，这一方法使用了轴对称的双电极构型，与同轴电缆的构型接近。当电极和样品直径比较小时，新构型能够在交直流两种激励方式下进行电信号的测量，这对于同时表征高压下样品的直流响应（电阻率、磁阻、热阻系数）和交流响应（阻抗谱、介电常数、介电损耗、界面效应）非常重要，为从多角度揭示高压下样品的电输运特性提供了手段。 　　在此基础上，为实现高压下样品的厚度和直径的自动识别，我们又设计了一个新的轴对称三电极电阻率测量方法。新方法在一个金刚石压砧表面通过薄膜气相沉积方法制备出一个中心圆电极和与之有共同对称中心的参考电极，并实现彼此绝缘形成双电极构型；而第三个电极仍然以金属样品腔内壁替代，有效利用金属样品腔与样品的自然接触进行测量。与此同时，我们为这个新的三电极方法编制了测量软件，只需输入金刚石压砧上电极的尺寸和高压下原位测量的电流、电压值，就可以直接获得电阻率测量结果。新方法避开了高压下样品尺度的原位测量，消除了相应的测量误差，简化了电阻率测量流程，提高了测量精度。 　　需要指出的是，以上两个新技术方法均保留了DAC高压下光谱测量的兼容性，能够在进行高压下电阻率等电学量测量的同时进行X光衍射和Raman散射等与样品结构分析相关的谱学测量，这为把样品的结构相变和电输运行为联系起来提供了方法。 　　以上是本项目取得的主要技术研究成果。利用这些新的技术方法还研究了一系列化合物半导体在高压下的电输运行为。项目研究期间共发表学术论文21篇，获准国家发明专利3项，申报4项，获得吉林省科技进步奖二等奖１项，在会议邀请报告４次 2100433B

金刚石对顶砧是高压科学研究中普遍使用的静高压产生装置。利用金刚石的透明特性，几乎所有与光谱相关的高压下原位探测都可以借助金刚石对顶砧来实现。然而，在基于金刚石对顶砧的高压下原位电学性质测量方面，还有一些关键的方法和技术问题有待解决，其中电导率的准确测量是重要的环节和基础。目前，采用四探针方法是测量电导率的唯一方法。但是在高压条件下，由于金刚石对顶砧内空间狭小，四探针方法所需的实验条件无法满足，必须进行修正才能得到准确的数据，这导致样品的尺寸成为电导率计算必须使用的参数，需要在高压下进行原位测量。这些量的测量不但难度大，而且不可避免引地入误差，影响测量精度。本次申请拟采用新方法，来克服高压下样品尺寸的原位测量问题，即通过在金刚石压砧上增加参考电极，借助连续介质的有限差分方法，利用多组边界条件，在电导率求解过程中直接消除样品厚度、尺度的影响，建立准确可靠的高压下电导率测量方法。

高温高压下的水具有奇特的性质，对地球层圈结构形成和深部物质演化起着重要的作用。由于水在高温高压下具有强腐蚀性，给高温高压下水性质的研究带来困难，致使水在高温高压下的理化性质科学数据非常有限。本项目拟将金刚石对顶砧高压、加温和薄膜组装技术结合起来，解决耐腐蚀电极封垫制备、对顶砧内高温压腐蚀环境下的温压测量等技术问题，建立液态物质高温高压条件下原位电导率测量实验技术。在此基础上，系统测量水在300～1300K和2～20GPa温度压力范围内的电导率，研究其喇曼光谱和X光结构特征，确定冰-水融化方程和水性质突变点的压力和温度线。通过这些研究，丰富水在高温高压下的物理性质和结构数据，深入认识水的结构和物性随温度压力变化的规律，为探讨水在地球深部的存在状态、理化性质和运移机制提供科学依据。

超高压技术DAC装置的问世及发展

本世纪五十年代出现多种静高压发生装置。其中以Bridgman对顶砧及Dfickazner等改进的 bridgmM 容器占主导，最高压力可达20--30GPa。由于选择强度高的优质材料做加载部件是提高压力的关键之一．故人们自然想到用最硬的材料—— 金刚石做压砧。1950年美国的Lawson和Tang首先使用两个单晶金刚石和一个徽型活塞，做成一个高压腔，进行高压x光衍射研究图 1。可惜的是，这次尝试之后，用金刚石做压砧来产生高压，几乎被人们遗忘了。直到1959年美国芝加哥大学的3amieson和Lawson等人用金刚石做了类似

于Bridgn-am容器的装置，得到Bi在3 GPa的x射线衍射图2。同年，美国国家标准局(theNational Bureau of Standards- NBS)的Weir等人设计了一套金刚石压砧容器．以后又做了改进，达到了16 GPa的压强。之后，为产生较高静水压的需要而引入的金属封垫技术及红宝石R线测压技术等，对DAC的发展起了重暮作用，使DAC压砧技术的应用得到很大发展。1978年，H．K．Mao(毛河光)和P．M．Bell在金刚石压砧容器中达到了172GPa压力 ]。1986年，他们在卡内基研究所地球物理实验室获得了超过360 GPa(地心的最大压强)的静压强一550 Gp 。这一静压强的达到．标志着近代高压技术又向前发展了一步。

超高压技术DAC装置及实验技术

2．1 工作原理

图1为DAC装置工作原理示意图。同时推动两个金刚石压砧时，置于两平行金刚石压砧平面之间的样品就受到压力的作用。因压砧顶部直径很小(约0．3 ram)，故可达到较高的压力。

2．2 装置结构

由于产生和调节压力的机构不同，DAC装置有多种类型。现仅以Mao-Befl型为例．对

其结构作一简介。

图2 1为装置整机图。当顺时针拧紧螺栓时，Bellcvf1]~弹簧垫8受到压缩，并通过杠杆臂5和推力块3将活塞1向圆筒2中推进．使分别置于活塞和圆筒上的两块金刚石压砧受到挤压，同时使置于压砧之间的佯品受到高压作用。图3为该装置的核心部分—— 活塞和圆筒的剖视图。

放置金刚石压砧的上下摇床1、2，系由硬质合金加工 上下摇床中央均有一锥形通光孔，压砧的中心要求与锥孔的中心共轴。粘好金刚石的上下摇床披分别置于圆筒和插塞的半圆柱形摇床槽中，并用摇床槽上的顶丝将摇床固定。做实验前，经仔细调整， 使上下压砧“对中”，并使两压砧面达到光学级平行(两压砧之间无等厚干涉条纹)。 调节方法：即调节摇床槽中的顶丝·为调 对中”，需使摇床沿 、 轴移动；为调“平行”，需使摇床分别沿z、y轴转动。

注：此处图片整理中