專利名稱：高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高壓條件下電學(xué)量原位測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在金剛石對(duì)頂砧上實(shí)現(xiàn)交流阻抗測(cè)量的電極。
背景技術(shù)：
金剛石對(duì)頂砧是研究高壓下材料性質(zhì)的一種有效工具。在高壓下，要想獲得材料的電性信息，需要激發(fā)和探測(cè)兩種手段。一方面需要將激發(fā)信號(hào)加載到樣品上，另一方面需要將樣品的響應(yīng)反饋回來(lái)，也就是需要將樣品腔內(nèi)的樣品和腔外的儀器設(shè)備銜接起來(lái)，而這也是這項(xiàng)技術(shù)的核心問(wèn)題。最近幾年，一些研究小組將薄膜組裝技術(shù)應(yīng)用到高壓原位電性測(cè)量上，在高壓下強(qiáng)制平衡態(tài)的電學(xué)性質(zhì)表征方面取得了很多成果。然而，這些結(jié)果還主要集中在直流激發(fā)下的電性測(cè)量上，要想獲得更多的信息，實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)激勵(lì)下的高壓下阻抗譜原位測(cè)量是其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因此，在金剛石對(duì)頂砧中引入交流阻抗譜測(cè)量法，是高壓科學(xué)研究的需要， 將使在高壓下對(duì)物質(zhì)介電、弛豫過(guò)程、極化等性質(zhì)的研究成為現(xiàn)實(shí)。在金剛石對(duì)頂砧(DAC)中引入交流信號(hào)需要解決一系列技術(shù)問(wèn)題。首先在電極設(shè)計(jì)方面，在DAC中的電極應(yīng)該保持固定的位置和幾何形狀。但是傳統(tǒng)的人工布線方法在高壓下會(huì)發(fā)生未知的形狀改變，沒(méi)有辦法滿足以上要求。其次，為了確保樣品處在一個(gè)完全絕緣的環(huán)境，需要使樣品和金屬壓腔絕緣，這在狹小的金剛石壓腔內(nèi)也是非常困難的。現(xiàn)有的在金剛石壓砧上集成四探針的研究中(參見(jiàn)中國(guó)專利ZL0213M56.5)，在金屬墊片上鍍一層氧化鋁絕緣層可以起到一定的絕緣作用，但是樣品孔內(nèi)壁的絕緣性并不是很好，這對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)造成很大的影響。即便壓腔內(nèi)絕緣得以實(shí)現(xiàn)，也難以保證整個(gè)體系的寄生電容不影響測(cè)量結(jié)果。為了使阻抗譜體系中的附加效應(yīng)減到最小，要盡可能減少引入體系的探測(cè)電極。顯然，四探針?lè)椒ㄔ谶@方面存在難以克服的弊病，必須發(fā)明其他方法來(lái)解決上述這些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明不是在四探針?lè)椒ㄉ线M(jìn)行的修補(bǔ)和小的革新，而是采用全新的思路構(gòu)建新的高壓下阻抗譜的測(cè)量方法。本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，采用軸對(duì)稱的雙電極模型，將金屬壓腔作為一個(gè)探測(cè)電極，另一個(gè)電極是制備在金剛石壓砧上的薄膜電極，樣品和電極一起構(gòu)成一個(gè)軸對(duì)稱的電極體系，使得探測(cè)信號(hào)全部經(jīng)過(guò)樣品傳遞，不再存在旁路效應(yīng)，進(jìn)而消除了附加電容的影響，以符合阻抗譜測(cè)試的要求。本發(fā)明的高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極的技術(shù)方案是—種高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極，組成有制備在金剛石壓砧2上的金屬膜電極1， 在金剛石壓砧2表面和金屬膜電極1上沉積的氧化鋁保護(hù)層3 ；其特征是，所述的金屬膜電極1在金剛石壓砧2的砧面中心呈圓形，且裸露在氧化鋁保護(hù)層3之外，在金剛石壓砧2的側(cè)面的金屬膜電極1部分的裸露在氧化鋁保護(hù)層3之外用于粘接銅絲導(dǎo)線5 ；金屬墊片4作另一個(gè)電極，與金屬膜電極1 一起構(gòu)成軸對(duì)稱的電極體系。本發(fā)明的高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極的制備方法的技術(shù)方案是一種高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極的制備方法，按下述步驟制作，第一步將金剛石壓砧放入體積比為1 1的丙酮和酒精混合溶液中浸泡以去除表面污漬，再用去離子水沖洗表面殘留溶液；第二步采用磁控濺射方法在金剛石壓砧表面鍍一層鉬膜作為電極材料；在濺射過(guò)程中，襯底溫度保持在250 300°C，采用金屬鉬作靶材，氬氣作工作氣體，真空腔內(nèi)的壓強(qiáng)保持在0.8 1 范圍內(nèi)；第三步將鍍有鉬膜的金剛石壓砧取出，在其表面涂抹一層光刻膠，利用光刻技術(shù)在金剛石砧面表面刻出電極的形狀，然后用體積比為9 4 14 7的硝酸、磷酸、醋酸和水的混合溶液進(jìn)行腐蝕，保留金剛石壓砧表面電極形狀的金屬膜，在砧面上的金屬膜電極的端頭為圓形；第四步將帶有鉬膜電極的金剛石壓砧放入真空腔，利用磁控濺射的方法沉積氧化鋁膜作為電極的保護(hù)層；在濺射過(guò)程中，襯底保持在300°C，采用金屬鋁作靶材，流量比為30 2. 4的氧氣和氬氣作工作氣體，真空腔內(nèi)的壓強(qiáng)保持在0.8 IPa范圍內(nèi)；第五步將金剛石壓砧取出，用光刻和化學(xué)腐蝕的方法，除去砧面中央的圓形氧化鋁膜，使圓形的金屬膜電極端頭裸露出來(lái)，并使在金剛石壓砧側(cè)面的金屬膜電極部分地裸露出來(lái)；第六步將帶有電極的金剛石壓砧用丙酮和酒精清洗干凈，將銅絲導(dǎo)線用銀漿分別粘接于金剛石壓砧側(cè)面的金屬膜電極的裸露部分上和墊片邊緣上，在140 150°C的條件下固化兩個(gè)小時(shí)。本發(fā)明的高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極的用途的技術(shù)方案是一種高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極的用途，用于樣品的交流阻抗的測(cè)量。本發(fā)明是在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(91014004，10874053，11074094,50802033) 和國(guó)家基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2011CB808204)資助下取得的成果。本發(fā)明將薄膜沉積技術(shù)和光刻技術(shù)相結(jié)合，將一個(gè)電極固定于對(duì)頂砧表面上，同時(shí)將金屬墊片樣品腔作為另外一個(gè)電極， 使得交流阻抗譜技術(shù)在高壓原位電學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到應(yīng)用。此方法有效的解決了電極固定以及樣品腔絕緣等問(wèn)題，并且可以忽略體系的寄生電容和寄生電感對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。這使得在高壓下用金剛石對(duì)頂砧原位測(cè)量物質(zhì)阻抗譜成為可能。


圖1本發(fā)明的整個(gè)裝置的剖面圖。圖2本發(fā)明電極的制作工藝流程圖。圖3本發(fā)明設(shè)計(jì)體系的阻抗，其中(a)為樣品腔(b)為導(dǎo)線圖4本發(fā)明實(shí)施例3中高壓下納米的阻抗譜隨壓力的變化關(guān)系曲線。圖5本發(fā)明實(shí)施例3中納米ZnS的體相對(duì)介電常數(shù)(ε r)隨壓力的變化關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
本發(fā)明的整個(gè)裝置如圖1所示。其中1為金屬膜電極，2為金剛石壓砧，3為氧化鋁保護(hù)層，4為金屬墊片，5為銅絲導(dǎo)線，6為銀漿。金屬膜電極1沉積在金剛石壓砧2的砧面和側(cè)面，金屬膜電極1在金剛石壓砧2 砧面的一端呈圓形，且不被氧化鋁保護(hù)層3所覆蓋；金屬膜電極1在金剛石壓砧2側(cè)面的一端使用銀漿6粘接銅絲導(dǎo)線5。金屬墊片4作為另一個(gè)電極，也使用銀漿6粘接銅絲導(dǎo)線5。金屬墊片4與金屬膜電極1 一起構(gòu)成軸對(duì)稱的電極體系；兩個(gè)電極在樣品腔處使得探測(cè)信號(hào)全部經(jīng)過(guò)樣品傳遞，實(shí)施例2本發(fā)明采用如下工藝流程[整個(gè)過(guò)程如圖2(a) (d)所示]第一步將金剛石壓砧放入丙酮和酒精的混合溶液(體積比例1 1)中浸泡20 分鐘以去除表面污漬，取出后用去離子水沖洗表面殘留溶液。第二步在金剛石壓砧表面，采用磁控濺射方法鍍一層金屬膜作為電極材料[如圖2(a)所示]。在濺射過(guò)程中，襯底溫度保持在250 300攝氏度，采用金屬材料作為靶材，氬氣作為工作氣體，真空腔內(nèi)的壓強(qiáng)始終保持在0. 8 1 范圍內(nèi)。第三步將鍍有金屬膜的金剛石壓砧取出，在其表面均勻涂抹一層光刻膠，利用光刻技術(shù)在金剛石砧面上刻出電極的形狀，然后用配置好的腐蝕液(體積比為9 4 14 7 的硝酸、磷酸、醋酸和水的混合溶液)進(jìn)行腐蝕，使砧面上呈現(xiàn)出金屬電極。由于在光刻過(guò)程中采用接觸式曝光方法，所以在金剛石的側(cè)面無(wú)法得到需要的圖形，需要通過(guò)人工方式完成涂膠和腐蝕過(guò)程。[如圖2 (b)所示]。第四步將帶有電極的金剛石壓砧放入真空腔，利用磁控濺射的方法沉積一層氧化鋁膜作為電極的保護(hù)層[如圖2(c)所示]。為了增加金剛石壓砧和氧化鋁膜之間的附著力，在濺射過(guò)程中，襯底同樣保持在300攝氏度。濺射過(guò)程中采用金屬鋁作為靶材，流量比為30 2. 4的氧氣和氬氣作為工作氣體，鍍膜過(guò)程中真空腔內(nèi)的壓強(qiáng)始終保持在0.8 IPa范圍內(nèi)。第五步將金剛石壓砧取出，用光刻和化學(xué)腐蝕的方法(在磷酸中水浴加熱)除去砧面中央的圓形氧化鋁膜，使金屬電極在砧面上的一端露出來(lái)[如圖2(d)所示]。被除去的圓形氧化鋁膜的直徑小于樣品腔的直徑。同時(shí)使在金剛石壓砧側(cè)面的金屬膜電極部分的裸露出來(lái)。第六步將帶有電極的金剛石壓砧用丙酮和酒精清洗干凈，將很細(xì)的銅絲用銀漿分別粘接于帶有電極的金剛石壓砧側(cè)面和墊片邊緣上，在140 150°C的條件下固化兩個(gè)小時(shí)，以達(dá)到使用所需強(qiáng)度。實(shí)施例3采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的電極模型，對(duì)納米ZnS進(jìn)行了阻抗譜測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中所用儀器為 Solartron頻率響應(yīng)分析器儀器型號(hào)為1260+1四6。測(cè)量過(guò)程中兩個(gè)連接終端分別連接兩根細(xì)銅絲。采用的交流信號(hào)輸入和輸出頻率范圍為IOMHz 10 μ Hz，交流電壓信號(hào)的幅值需要根據(jù)不同的樣品來(lái)選擇。對(duì)于納米ZnS這種樣品，作者采用的交流信號(hào)電壓為0. IV。具體的電學(xué)量測(cè)量及其結(jié)果如下。1、對(duì)體系寄生電容和電感的測(cè)量結(jié)果
寄生電容一般是指電感，電阻，芯片引腳等在高頻情況下表現(xiàn)出來(lái)的電容特性。實(shí)際上，一個(gè)電阻等效于一個(gè)電容，一個(gè)電感，和一個(gè)電阻的串連，在低頻情況下表現(xiàn)不是很明顯，而在高頻情況下，等效值會(huì)增大，不能忽略。本發(fā)明中通過(guò)對(duì)樣品腔和導(dǎo)線的阻抗測(cè)量可以反映電極體系的電容和電感，結(jié)果見(jiàn)圖3。通過(guò)分析測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在高頻區(qū)阻抗受到的影響較小，說(shuō)明本發(fā)明設(shè)計(jì)的金剛石對(duì)頂砧裝置的效果是理想的，來(lái)自樣品腔和導(dǎo)線的寄生電容和電感對(duì)阻抗的測(cè)量結(jié)果影響很小。2、對(duì)ZnS高壓阻抗譜的測(cè)量結(jié)果為了證明我們?cè)O(shè)計(jì)的電極對(duì)阻抗譜測(cè)量的可行性，我們對(duì)納米SiS的阻抗譜進(jìn)行了測(cè)量。圖4為納米ais阻抗譜隨壓力的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著壓力的改變， ZnS阻抗譜的大小以及形狀都在發(fā)生著變化。這與SiS晶體內(nèi)部的導(dǎo)電機(jī)制有關(guān)。由此可知，我們?cè)O(shè)計(jì)的電極可以很好的測(cè)量物質(zhì)的阻抗譜。3、納米ZnS相對(duì)體介電常數(shù)隨壓力的變化關(guān)系為了進(jìn)一步證明交流信號(hào)與直流信號(hào)的區(qū)別，我們通過(guò)交流測(cè)量法給出介電常數(shù)隨壓力的變化關(guān)系。納米ZnS的相對(duì)介電常數(shù)(ε r)根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極，組成有制備在金剛石壓砧( 上的金屬膜電極 (1)，在金剛石壓砧( 表面和金屬膜電極(1)上沉積的氧化鋁保護(hù)層(3)；其特征是，所述的金屬膜電極(1)在金剛石壓砧( 的砧面中心呈圓形，且裸露在氧化鋁保護(hù)層C3)之外， 在金剛石壓砧O)的側(cè)面的金屬膜電極(1)部分的裸露在氧化鋁保護(hù)層C3)之外用于粘接銅絲導(dǎo)線(5)；金屬墊片(4)作另一個(gè)電極，與金屬膜電極(1) 一起構(gòu)成軸對(duì)稱的電極體系。
2.—種權(quán)利要求1的高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極的制備方法，按下述步驟制作， 第一步將金剛石壓砧放入體積比為1 1的丙酮和酒精混合溶液中浸泡以去除表面污漬，再用去離子水沖洗表面殘留溶液；第二步采用磁控濺射方法在金剛石壓砧表面鍍一層鉬膜作為電極材料；在濺射過(guò)程中，襯底溫度保持在250 300°C，采用金屬鉬作靶材，氬氣作工作氣體，真空腔內(nèi)的壓強(qiáng)保持在0.8 IPa范圍內(nèi)；第三步將鍍有鉬膜的金剛石壓砧取出，在其表面涂抹一層光刻膠，利用光刻技術(shù)在金剛石砧面表面刻出電極的形狀，然后用體積比為9 4 14 7的硝酸、磷酸、醋酸和水的混合溶液進(jìn)行腐蝕，保留金剛石壓砧表面電極形狀的金屬膜，在砧面上的金屬膜電極的端頭為圓形；第四步將帶有鉬膜電極的金剛石壓砧放入真空腔，利用磁控濺射的方法沉積氧化鋁膜作為電極的保護(hù)層；在濺射過(guò)程中，襯底保持在300°C，采用金屬鋁作靶材，流量比為 30 2. 4的氧氣和氬氣作工作氣體，真空腔內(nèi)的壓強(qiáng)保持在0.8 IPa范圍內(nèi)；第五步將金剛石壓砧取出，用光刻和化學(xué)腐蝕的方法，除去砧面中央的圓形氧化鋁膜，使圓形的金屬膜電極端頭裸露出來(lái)，并使在金剛石壓砧側(cè)面的金屬膜電極部分地裸露出來(lái)；第六步將帶有電極的金剛石壓砧用丙酮和酒精清洗干凈，將銅絲導(dǎo)線用銀漿分別粘接于金剛石壓砧側(cè)面的金屬膜電極的裸露部分上和墊片邊緣上，在140 150°C的條件下固化兩個(gè)小時(shí)。
3.一種高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極的用途，用于樣品的交流阻抗的測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明的高壓原位阻抗譜測(cè)量的電極及其制備方法和應(yīng)用屬于高壓條件下電學(xué)量原位測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域。電極組成有在金剛石壓砧(2)表面和金屬膜電極(1)上沉積的氧化鋁保護(hù)層(3)；金屬膜電極(1)在金剛石壓砧(2)的砧面中心呈圓形，在金剛石壓砧(2)的側(cè)面的金屬膜電極(1)部分粘接銅絲導(dǎo)線(5)；金屬墊片(4)作另一個(gè)電極，與金屬膜電極(1)一起構(gòu)成軸對(duì)稱的電極體系。采用磁控濺射方法鍍鉬膜、沉積氧化鋁膜、光刻和化學(xué)腐蝕的方法制作電極。本發(fā)明解決了電極固定以及樣品腔絕緣等問(wèn)題，可以忽略體系的寄生電容和寄生電感對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使得高壓下用金剛石對(duì)頂砧原位測(cè)量物質(zhì)阻抗譜成為可能。
文檔編號(hào)G01R27/26GK102288824SQ20111012619
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者劉才龍, 吳寶嘉, 彭剛, 王月, 鄒廣田, 韓永昊, 高春曉 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)