使用光刻法在金剛石臺面制備金屬薄膜電極①

趙慶娟

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東青島266101）

壓力是獨立于溫度、組分之外調節材料性能的一個重要熱力學參數，其顯著效應表現為引起材料發生空間群和對稱性改變的晶體結構相變，誘發材料發生從絕緣性或半導性到金屬性導電行為的電子學相變，使常壓下的非超導材料在足夠高的壓力下呈現超導電性。圖1是金剛石對頂砧［1，2，3］及其核心部分示意圖。給兩顆同軸對頂的金剛石施以軸向的作用力，相互擠壓中間的金屬封墊（Gasket），金屬封墊的中央有一個圓孔作為填充樣品和傳壓介質的樣品室，通過測量紅寶石（Ruby）的熒光峰在壓力下的移動來標定樣品室中的壓力。在電測量實驗中，金屬封墊的表面要預壓一層絕緣材料在金屬封墊和金屬電極之間實現電絕緣。實驗室常用的金屬封墊材料有不銹鋼，鎢（W），錸（Re）等硬度較高的金屬；常用的絕緣材料有立方氮化硼（c BN），氧化鎂（MgO），氧化鋁（Al2O3），以及金剛石等的高硬度粉末，確保不降低金屬封墊的硬度。得到的復合封墊（絕緣層／金屬）充分結合了金屬的高塑性變形性能和絕緣層的高硬度性能，可以承受極高的流體靜力學壓力，滿足不同的實驗需求。圖2是在不銹鋼（型號SUS 301S）封墊表面預壓立方氮化硼絕緣層得到的復合封墊，所用的金剛石臺面直徑是800微米，臺面尺寸越小，可以產生的壓力極限越高。

圖1 金剛石對頂砧及其核心部件示意圖Fig.1 Photograph of diamond anvil cell

超導電性由于其巨大的應用前景，一直是凝聚態物理領域和材料領域的一個研究熱點。超導材料的一個顯著特征是在臨界溫度以下電阻為零，高壓作用可以引起材料的能帶展寬，能隙變窄甚至閉合，增強材料的導電性，所以高壓條件下測量材料電阻率的溫度曲線是發現新型超導材料的一個重要技術手段。實驗室通常采用四引線法測量高壓條件下材料電阻率的溫度曲線，如圖2所示，圖中的四個電極是用厚度為5微米的鉑金箔裁剪而成的，其中兩根較寬的電極用以給樣品通電流，中間兩根較細的電極用以測量電流引起的樣品中的電壓降，四個電極通過金屬導線和儀表連接。材料的電阻通過公式R＝V／I得到，電阻率通過公式ρ＝（R×A）／L得到，其中A是垂直于電流方向的樣品橫截面積，L是兩根電壓探針之間的樣品長度。

圖2 復合絕緣封墊（立方氮化硼／SUS 310S）上制備的四引線電極Fig.2 Electrodes in four－probe configuration compacted on the insulating gasket（cBN／SUS 310S）

圖2所示的電極構造僅適用于采用固體傳壓介質的實驗方案，在采用液體或氣體傳壓介質的實驗方案中，需采用不同構造的電極。如圖3所示，該四引線電極是用光刻法結合真空電弧等離子槍沉積在金剛石臺面上的鉑金薄膜電極，在金剛石臺面的中心位置，兩邊的兩根探針用以給樣品通電流，中間的兩根探針用以測量電流引起的樣品中的電壓降。該電極構造還可用于測量薄膜樣品在高壓條件下的電阻率。同樣，光刻法還可以制備銅、銀、金等導電性良好的薄膜電極。制備過程中，通常先在金剛石臺面沉積一層鈦（Ti）膜作為過渡層，然后在鈦膜的表層沉積銅、銀、金、鉑等金屬薄膜。制備得到的金屬薄膜電極與金剛石臺面附著力較強，硬度較高，可以承受很高的流體靜力學壓力而不致被損壞。

圖3 光刻法在金剛石臺面制備的四引線電極Fig.3 Electrodes in four－probe configuration fabricated on the diamond culet by photolithography

圖4 光刻法工藝流程Fig.4 The technological process of photolithography

圖4是在（Al2O3／SUS 310S）復合絕緣封墊上制備的四引線電極，電極材料是厚度5微米的鉑金箔。所用的金剛石臺面直徑是500微米，直徑260微米的中心圓孔是樣品室，用于填充傳壓介質，封墊厚度（等于樣品室高度）為70微米。圖3中金剛石臺面上四根電極的扇形端部和圖4中的四根電極一一對應，互相搭接，加壓后可以實現良好的電接觸，從而和外部的儀表形成連接。

圖5 復合絕緣封墊（Al2 O3／SUS 310S）上制備的四引線電極Fig.5 Electrodes in four－probe configuration compacted on the insulating gasket（Al2O3／SUS 310S）

圖6是樣品室中填充液態氫傳壓介質之后，加熱到室溫并加壓到20 GPa（1 GPa＝1萬大氣壓）的情形，液態氫發生固化，形成透明的固態氫。由于氫的高壓縮率，壓力下樣品室直徑發生收縮。

圖6 室溫20 GPa條件下樣品室中發生固化的液態氫Fig.6 Solidified H2 at room temperature and 20GPa

［1］ Bassett W A.Diamond anvil cell，50thbirthday［J］.High Pressure Research，2009，29（2）：163.

［2］ Mc Millan P F.Chemistry at high pressure［J］.Chem.Soc.Rev.，2006，35：855.

［3］ Jayaraman A.Diamond anvil cell and high－pressure physical investigations［J］.Rev.Mod.Phys.，1983，55（1）：65.