使用光刻法在金剛石臺(tái)面制備金屬薄膜電極①

趙慶娟

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東青島266101）

壓力是獨(dú)立于溫度、組分之外調(diào)節(jié)材料性能的一個(gè)重要熱力學(xué)參數(shù)，其顯著效應(yīng)表現(xiàn)為引起材料發(fā)生空間群和對(duì)稱性改變的晶體結(jié)構(gòu)相變，誘發(fā)材料發(fā)生從絕緣性或半導(dǎo)性到金屬性導(dǎo)電行為的電子學(xué)相變，使常壓下的非超導(dǎo)材料在足夠高的壓力下呈現(xiàn)超導(dǎo)電性。圖1是金剛石對(duì)頂砧［1，2，3］及其核心部分示意圖。給兩顆同軸對(duì)頂?shù)慕饎偸┮暂S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(gè)圓孔作為填充樣品和傳壓介質(zhì)的樣品室，通過測(cè)量紅寶石（Ruby）的熒光峰在壓力下的移動(dòng)來標(biāo)定樣品室中的壓力。在電測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，金屬封墊的表面要預(yù)壓一層絕緣材料在金屬封墊和金屬電極之間實(shí)現(xiàn)電絕緣。實(shí)驗(yàn)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(fù)合封墊（絕緣層／金屬）充分結(jié)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(xué)壓力，滿足不同的實(shí)驗(yàn)需求。圖2是在不銹鋼（型號(hào)SUS 301S）封墊表面預(yù)壓立方氮化硼絕緣層得到的復(fù)合封墊，所用的金剛石臺(tái)面直徑是800微米，臺(tái)面尺寸越小，可以產(chǎn)生的壓力極限越高。

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

超導(dǎo)電性由于其巨大的應(yīng)用前景，一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域和材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。超導(dǎo)材料的一個(gè)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(qiáng)材料的導(dǎo)電性，所以高壓條件下測(cè)量材料電阻率的溫度曲線是發(fā)現(xiàn)新型超導(dǎo)材料的一個(gè)重要技術(shù)手段。實(shí)驗(yàn)室通常采用四引線法測(cè)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(gè)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(xì)的電極用以測(cè)量電流引起的樣品中的電壓降，四個(gè)電極通過金屬導(dǎo)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(fù)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(gòu)造僅適用于采用固體傳壓介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案，在采用液體或氣體傳壓介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案中，需采用不同構(gòu)造的電極。如圖3所示，該四引線電極是用光刻法結(jié)合真空電弧等離子槍沉積在金剛石臺(tái)面上的鉑金薄膜電極，在金剛石臺(tái)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(cè)量電流引起的樣品中的電壓降。該電極構(gòu)造還可用于測(cè)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(dǎo)電性良好的薄膜電極。制備過程中，通常先在金剛石臺(tái)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(tái)面附著力較強(qiáng)，硬度較高，可以承受很高的流體靜力學(xué)壓力而不致被損壞。

圖3 光刻法在金剛石臺(tái)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(fù)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(tái)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(zhì)，封墊厚度（等于樣品室高度）為70微米。圖3中金剛石臺(tái)面上四根電極的扇形端部和圖4中的四根電極一一對(duì)應(yīng)，互相搭接，加壓后可以實(shí)現(xiàn)良好的電接觸，從而和外部的儀表形成連接。

圖5 復(fù)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(tài)氫傳壓介質(zhì)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(tài)氫發(fā)生固化，形成透明的固態(tài)氫。由于氫的高壓縮率，壓力下樣品室直徑發(fā)生收縮。

圖6 室溫20 GPa條件下樣品室中發(fā)生固化的液態(tài)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.