CN102183693A

CN102183693A - 高压原位电阻率测量的电极及其制作方法

Info

Publication number: CN102183693A
Application number: CN2011100210877A
Authority: CN
Inventors: 高春晓; 任万彬; 彭刚; 刘才龙; 韩永昊; 刘鲍; 胡廷静; 吴宝嘉; 王庆林; 邹广田
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: CN102183693B

Abstract

本发明的高压原位电阻率测量的电极及其制作方法属于高压装置的技术领域。两条电极(3)沉积在一颗金刚石压砧(1)上，在金刚石压砧(1)的砧面和侧面再沉积有绝缘保护层(4)，电极的金属引线(5)粘在金刚石压砧(1)侧面裸露的电极端头上；两条电极(3)在金刚石压砧(1)砧面的端头分别是圆形和弓形；放置在两颗金刚石压砧(1)之间的金属垫片(6)作为第三电极。电极(3)的制作方法有沉积金属钼、制作电极、沉积氧化铝绝缘保护层和电极引线制作的步骤。利用此电极进行电阻率测量时，不用考虑样品腔内壁不绝缘带来的实验误差；不需要对样品的厚度进行测量，也不用考虑由厚度测量不准确带来的实验误差。

Description

高压原位电阻率测量的电极及其制作方法

技术领域：

本发明属于高压装置的技术领域，特别是涉及用于高压原位电阻率测量的在金刚石对顶砧表面制作的新型电极。

背景技术：

国际上普遍使用的产生超高压的装置是金刚石对顶砧(DAC)，高压力下的原位测量技术均是在金刚石对顶砧上实现的。它的发展使人们进一步加深了对物性的研究，例如高压同步辐射、拉曼光谱、光学等研究领域都得到了长足的发展。由于受到电极的影响，利用DAC的高压电学测量发展迟缓，直到韩永昊等人在专利公开号：CN 1396801A中报道了在DAC上集成电极之后，才加快了高压电学的发展，在金刚石对顶砧上集成电极可以在极端条件下对物质的电学性质进行研究，得到多方面的物性信息：a)高压下物质的晶界和晶粒的传导性质；b)高压下物质的结构相变和电子相变；c)高压下物质金属化有效的判断手段。因此高压电学测量对研究高压物性具有很重要的意义，而且测量的准确性可以很大程度上影响研究者对物性的判断。

影响高压电学测量准确性的因素主要包括：一、电极与金刚石压砧的相对稳定性。以前进行高压电学测量时，都是通过手工办法将很细的金属丝放置在样品腔中作为电极，加压过程中，电极在样品腔中的位置无法固定，甚至很容易在金刚石对顶砧砧面的边缘处发生断裂，这样在很大程度上会影响测量结果的精度。韩永昊等人在专利公开号：CN 1396801A中报道的金刚石对顶砧上的薄膜电极集成方法，以其集成方法简便性和测量准确性被广泛应用，这种方法可以使电极很精确的放置在金刚石压砧预设的位置上，而且薄膜电极具有规则的形状，在高压下的形变可以忽略不计，其位置固定不变。因此，集成电极方法成功的解决了电极在样品腔内的不稳定性。二、样品厚度测量的准确性。在加压卸压过程中，使用电子千分尺对样品的厚度进行测量，但是金刚石压砧与封压垫片均会形变，使得对样品厚度准确测量成为不可能，这样会给实验带来一定的误差。三、样品腔内壁的绝缘性。如果样品腔内壁绝缘不好，测量过程中会导致漏电流的产生，给实验带来很大的误差。即，对于样品厚度的测量和样品腔内壁不完全绝缘的问题，CN 1396801A也未能很好的解决。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术的不足，设计新型的金刚石压砧的电极，实现高压条件下的原位电阻率的测量，并解决对于样品厚度的测量和样品腔内壁不完全绝缘引起测量误差的问题。

本发明的目的是这样实现的：用于原位电阻率测量的金刚石对顶砧，有两颗金刚石组成，在一颗金刚石压砧的砧面和侧面沉积一层金属钼；将沉积的金属钼做成所需形状的电极；刻好电极后，在金刚石压砧的砧面和侧面沉积一层氧化铝；将砧面和侧面的部分氧化铝去除，使电极裸露出来，砧面的两个电极一直从砧面延伸到侧面；将金属引线粘在侧面裸露的电极上面；预压好的金属垫片作为第三个电极。

本发明的具体的技术方案是：

一种高压原位电阻率测量的电极，沉积在一颗金刚石压砧1上，两条电极3分别从砧面延伸至侧面；在金刚石压砧1的砧面和侧面沉积有氧化铝层作绝缘保护层4，部分氧化铝层被刻蚀掉使电极3在砧面和侧面的端头裸露出来；电极的金属引线5粘在金刚石压砧1侧面裸露的电极端头上面；其特征在于，两条电极3在金刚石压砧1砧面的端头分别是圆形和弓形，弓形端头环绕在圆形端头的外面；放置在两颗金刚石压砧1之间的金属垫片6作为第三电极。

所述的电极3是金属钼材料的；圆形电极的圆半径与砧面半径比值为1～1.1∶4，弓形电极的内径与砧面半径比值为1∶2，外径与砧面半径比值为4∶5。

所述的氧化铝绝缘保护层4，厚度为2～4μm。

本发明的高压原位电阻率测量的电极的制作方法，包括沉积金属钼、制作电极、沉积氧化铝绝缘保护层和电极引线制作的步骤；

所述的沉积金属钼，是将清洗干净的金刚石压砧1烘干后，放入到真空腔内，利用磁控溅射方法将金属钼沉积在金刚石压砧1表面；溅射过程中，金属钼作为靶材，氩气作为工作气体，真空腔压强保持在0.8～1.2Pa，衬底温度在200～300℃，衬底是放置金刚石的托盘，加热衬底的目的是加热金刚石压砧；

所述的制作电极，是使用光刻技术将金刚石压砧1表面金属钼薄膜刻成电极3形状，然后利用钼腐蚀液进行腐蚀，在金刚石压砧1上呈现出电极3，其中在砧面上一条电极的端头为圆形，另一条电极的端头为弓形；

所述的沉积氧化铝绝缘保护层，是在电极3刻好之后，再次利用磁控溅射的方法在金刚石压砧1表面沉积一层氧化铝膜；溅射过程中，采用金属铝作为靶材，流量比为2.4∶30的氧气和氩气作为工作气体，腔内压强保持为0.8～1.2Pa；溅射完氧化铝膜后，再次利用光刻技术和化学腐蚀的方法，将金刚石压砧(1)砧面的氧化铝膜刻出圆形的小窗，使两电极3的圆形端头和弓形端头全部裸露出来，同时使金刚石压砧1侧面的氧化铝膜刻出小窗，使两条电极3的另一端头裸露出来；

所述的电极引线制作，是用导电银浆将铜导线粘在金刚石压砧1侧面裸露的电极上，导电银浆在130～170℃的条件下固化1.5～2.5小时；在预压好的T301钢片中央钻孔作为垫片6，将铜导线用银浆粘在垫片6上作为第三个电极。

所述的垫片6，中央孔的半径与金刚石压砧1砧面的氧化铝膜刻出的圆形小窗半径之比可以为1～1.2∶1。

本发明的有益效果在于，设计了一种全新的高压下原位测量电阻率的电极。利用此电极进行电阻率测量时，采用金属垫片作为其中的一个电极，因此不用考虑样品腔内壁不绝缘带来的实验误差。此外，这种方法不需要对样品的厚度进行测量，所以也不用考虑由厚度测量不准确带来的实验误差。

附图说明

图1是沉积有本发明电极的对顶砧装配结构示意图。

图2是本发明圆形电极和弓形电极在金刚石压砧上的形状示意图。

图3是本发明第三个电极——垫片形状示意图。

图4是本发明电极制作过程示意图。

图5是本发明实施例3测量的CdS的电阻率随压力变化的曲线。

具体实施方式

实施例1结合附图说明本发明的电极结构

在图1、2、3中，1为金刚石压砧，3为电极，4为绝缘保护层，5为金属引线，6为金属垫片。

见图2，两条电极3分别从金刚石压砧1砧面延伸至侧面；两条电极3在金刚石压砧1砧面的端头分别是圆形和弓形，弓形端头环绕在圆形端头的外面两条电极3在金刚石压砧1砧面的端头分别是圆形和弓形，弓形端头环绕在圆形端头的外面。发明人在半径约为150μm的金刚石压砧1砧面上成型的钼电极分两部分，一是端头圆形电极，圆形电极的半径约为40μm；二是端头弓形电极，其内半径约为75μm，外半径约为120μm。

见图1，本发明的电极3制作在金刚石对顶砧的上面的金刚石压砧1上。在金刚石压砧1的砧面和侧面沉积有氧化铝层作绝缘保护层4，绝缘保护层4保护电极3避免受外力损坏和对外产生漏电；只有电极3在砧面和侧面的端头裸露出来，以便粘接电极的金属引线5和与被测样品接触进行电阻率的测量。金刚石压砧组装后，金属垫片6置放在两个金刚石压砧1之间，金属垫片6中间的小孔为样品室，放置被测样品。

见图3，放置在两颗金刚石压砧1之间的金属垫片6作为第三电极，其上粘接有金属引线5。

实施例2结合附图说明本发明电极的制作过程

本发明利用薄膜沉积技术和光刻手段将金属微电路集成到金刚石的砧面上，电极3制作的整个过程参见图4，通过如下工艺手段完成的：

(1)首先将金刚石压砧1放入酸液中(硫酸与硝酸比例是1∶1)煮20到30分钟，以除去金刚石表面附着的污渍，然后用去离子水冲洗掉压砧表面残留的酸液。图4中左上角部分所示为清洗干净的金刚石对顶砧。

(2)将金刚石压砧1烘干后，放入到磁控溅射装置的真空腔内，利用磁控溅射方法将金属钼沉积在金刚石表面(钼沉积厚度约为0.3μm)。溅射过程中，采用金属钼作为靶材，真空腔压强保持在0.8～1.2Pa，氩气作为工作气体。为了保证电极3的附着力，衬底(衬底是放置金刚石的托盘，加热衬底的目的是加热金刚石压砧)温度在200～300℃。图4中右上角部分表示镀有钼的金刚石压砧1。

(3)将镀钼的金刚石压砧1取出，使用光刻技术将金刚石表面的金属钼薄膜刻成电极3形状。然后利用钼腐蚀液进行腐蚀，在金刚石压砧1上呈现出电极3。

由于光刻过程中采用接触式曝光方法，还需要保留金刚石侧面的钼，所以还需要手工方式进行一些操作。成型的钼电极分两部分，一是圆形电极(电极半径与砧面半径比值约为1∶4)，二是弓形电极(其内径与砧面半径比值约为1∶2，外径与砧面半径比值约为4∶5)。图4中左中部分表示刻有电极3的金刚石压砧1。

(4)电极3刻好之后，再次利用磁控溅射的方法在金刚石压砧1表面沉积一层氧化铝(厚度为2～4μm)，氧化铝作为电极的绝缘保护层4。溅射过程中，采用金属铝作为靶材，氧气和氩气作为工作气体(气体流量比为2.4∶30)，腔内压强保持为0.8～1.2Pa。图4中右中部分所示为镀有氧化铝的金刚石对顶砧。

(5)溅射完氧化铝后，再次利用光刻技术和化学腐蚀方法使电极3的两个端头显露出来。将装有磷酸的烧杯放到100℃的沸水中加热，利用此方法将砧面的氧化铝刻出圆形的小窗，使两电极全部显露出来，同时金刚石压砧1侧面的一部分氧化铝也要除去，露出金属钼，用于粘金属引线5。如图4左下部分所示。

(6)用导电银浆将细的铜导线粘在金刚石压砧1侧面裸露的电极上，导电银浆在130～170℃的条件下固化1.5～2.5小时。如图4右下部分所示。

(7)在预压好的T301钢片中央钻一个小孔(孔的大小要略大于金刚石砧面氧化铝小窗)作金属垫片6，将细的铜导线用银浆粘在钢片上作为第三个电极。

实施例3电极形状的选择：

根据静电场的拉普拉斯方程：

柱坐标的拉普拉斯方程：

而

是U₁，U₂，U₃，r，θ，z，R，d的函数。即

其中U₁，U₂，U₃，R，d是边界条件。

令r＝r₀＝(RE 2+R)/2，其中RF2是常数，r可以用R来表示。

根据电磁理论：

即σ＝Ψ(U₁，U₂，U₃，I，R，d)

如果U₁，U₂，U₃，I取定值，则

σ_a＝Ψ_a(R，d)

σ_b＝Ψ_b(R，d)

σ_c＝Ψ_c(R，d)

根据上面的数学推导，在柱坐标系中，可以看到，电阻率与电极的半径有关系。所以将电极设计成圆形和弓形的形状。利用Vb编程工具，编写了计算程序，将测量数据和已知的数据：U₁，U₂，U₃，I，R代入编写的计算程序，可以求解样品的电阻(导)率。

实施例4具体测量CdS样品电阻率的实例

1、按照电极的制作过程，在金刚石压砧上做好电极，将金刚石压砧粘到压机上，然后将金属垫片(即第三个电极)复位到没有电极的金刚石压砧上。

2、在垫片的样品腔内装好红宝石，利用红宝石进行标压，再将纯度为99.999％的CdS样品装入到样品腔内，放好压机，进行实验测量。

3、测量过程中，圆形电极记为a电极，弓形电极记为b电极，金属垫片记为c电极。在某一压力下，(I)在a电极和b电极之间输入一个固定的电流I₁，然后分别测量三个电极的电位U_a1、U_b1和U_c1；(II)在b电极和c电极之间输入一个固定的电流I₂，分别测量三个电极的电位U_a2、U_b2和U_c2；(III)在c电极和a电极之间输入一个固定的电流I₃，分别测量三个电极的电位U_a3、U_b3和U_c3。

4、将测量的数据代入分析软件进行计算，可以得到某压力下的样品的电阻率。

5、将测得的CdS的在不同压力下的电阻率列如下表：

按测量结果绘制CdS材料的电阻率随压力变化曲线，见图5。

从图5可以看出，在3GPa左右，电阻率出现突变，说明CdS经历了从纤锌矿到岩盐矿的结构相变，这种变化与其它文献报道完全一致。

Claims

1.一种高压原位电阻率测量的电极，沉积在一颗金刚石压砧(1)上，两条电极(3)分别从砧面延伸至侧面；在金刚石压砧(1)的砧面和侧面沉积有氧化铝层作绝缘保护层(4)，部分氧化铝层被刻蚀掉使电极(3)在砧面和侧面的端头裸露出来；电极的金属引线(5)粘在金刚石压砧(1)侧面裸露的电极端头上面；其特征在于，两条电极(3)在金刚石压砧(1)砧面的端头分别是圆形和弓形，弓形端头环绕在圆形端头的外面；放置在两颗金刚石压砧(1)之间的金属垫片(6)作为第三电极。

2.按照权利要求1所述的高压原位电阻率测量的电极，其特征是，所述的电极(3)是金属钼材料的；圆形电极的圆半径与砧面半径比值为1～1.1∶4，弓形电极的内径与砧面半径比值为1∶2，外径与砧面半径比值为4∶5。

3.按照权利要求1或2所述的高压原位电阻率测量的电极，其特征是，所述的氧化铝绝缘保护层(4)，厚度为2～4μm。

4.一种权利要求1的高压原位电阻率测量的电极及其制作方法，包括沉积金属钼、制作电极、沉积氧化铝绝缘保护层和电极引线制作的步骤；

所述的沉积金属钼，是将清洗干净的金刚石压砧(1)烘干后，放入到真空腔内，利用磁控溅射方法将金属钼沉积在金刚石压砧(1)表面；溅射过程中，金属钼作为靶材，氩气作为工作气体，真空腔压强保持在0.8～1.2Pa，衬底温度在200～300℃；

所述的制作电极，是使用光刻技术将金刚石压砧(1)表面金属钼薄膜刻成电极(3)形状，然后利用钼腐蚀液进行腐蚀，在金刚石压砧(1)上呈现出电极(3)，其中在砧面上一条电极的端头为圆形，另一条电极的端头为弓形；

所述的沉积氧化铝绝缘保护层，是在电极(3)刻好之后，再次利用磁控溅射的方法在金刚石压砧(1)表面沉积一层氧化铝膜；溅射过程中，采用金属铝作为靶材，流量比为2.4∶30的氧气和氩气作为工作气体，腔内压强保持为0.8～1.2Pa；溅射完氧化铝膜后，再次利用光刻技术和化学腐蚀的方法，将金刚石压砧(1)砧面的氧化铝膜刻出圆形的小窗，使两电极(3)的圆形端头和弓形端头全部裸露出来，同时使金刚石压砧(1)侧面的氧化铝膜刻出小窗，使两条电极(3)的另一端头裸露出来；

所述的电极引线制作，是用导电银浆将铜导线粘在金刚石压砧(1)侧面裸露的电极上，导电银浆在130～170℃的条件下固化1.5～2.5小时；在预压好的T301钢片中央钻孔作为垫片(6)，将铜导线用银浆粘在垫片(6)上作为第三个电极。

5.按照权利要求4所述的高压原位电阻率测量的电极及其制作方法，其特征是，所述的垫片(6)，中央孔的半径与金刚石压砧(1)砧面的氧化铝膜刻出的圆形小窗半径之比为1～1.2∶1。