作者：丁琨 竇秀明 孫寶權  (中國科學院半導體研究所)

       摘要 金剛石對頂砧加壓裝置廣泛用于物理、化學、材料等許多科學領域。自Bridgman發明金屬對頂砧及隨后發展金剛石對頂砧以來，對頂砧裝置設計和加壓技術得到不斷發展。文章介紹采用壓電驅動金剛石對頂砧來產生高壓，實現低溫20 K下原位連續加壓，連續加壓范圍約2—4 GPa。該加壓裝置具有體積小、操作方便，可裝在小型低溫恒溫器中使用等優點。

       關鍵詞 金剛石對頂砧，壓電驅動，低溫實驗

       1 引言

       科學技術的進步推動高壓裝置的發展，極大地拓展和深入了高壓物理等相關領域的研究。早在上世紀二三十年代，Bridgman 等就開始利用被叫做“Bridgman”的對頂砧和活塞—圓筒裝置研究各種材料的高壓性質[1，2]，可以獲得10 GPa 的高壓。到1950 年，Lawson 和Tang 開始嘗試利用金剛石產生高壓來進行材料的高壓X射線衍射研究[3]。1959 年Jamieson 等[4]和Weir 等[5，6]，1962 年Piermarini 等[7]分別從實驗上實現和發展了金剛石對頂砧(DAC)裝置。1965 年，Valkenburg 將金屬墊片引入到金剛石對頂砧裝置中[8]。1973 年，Barnett 等發展了紅寶石標定技術[9]，使得高壓的標定誤差減小到0.01 GPa。后來，人們找到了更多的傳壓介質，利用金剛石對頂砧裝置可以獲得高達60 GPa的高壓。金剛石對頂砧斜角技術的出現更使得金剛石對頂砧裝置可產生的最大壓強達到500 GPa[10]。這些關鍵技術的發明使得金剛石對頂砧裝置成為高壓物理研究必不可少的實驗手段。金剛石的帶隙為5.47 eV，可以作為理想的光學窗口和熒光光譜、吸收光譜、拉曼光譜等光學測量手段結合起來，研究材料高壓條件下的光學性質。另外，金剛石具有很高的熱導率，可以方便的開展低溫和高溫條件下材料的高壓物理研究。

在金剛石對頂砧加壓裝置的發展過程中，通常的加壓方法是機械加壓，包括擰緊螺絲或采用外部機械裝置施加壓力到金剛石對頂砧，在高壓腔中產生高壓[11]。這種加壓方式，對于研究室溫條件下材料的高壓性質是比較方便的，可以實現連續的加壓。但是，許多高壓物性研究需要在低溫條件下進行，比如超導材料的超導特性[11-13]及半導體材料的光學性質等的研究[14，15]。低溫實驗的操作流程是：室溫下通過擰緊螺絲給對頂砧施加一定的壓力，然后將對頂砧裝置放到低溫恒溫器中，并降溫至目標溫度，開始一個壓強點的測量；然后再升溫至室溫，再施加新的壓強值，重復前面的操作步驟。這種做法的缺點是：(1)低溫實驗需要反復降溫和升溫，大大增加了實驗成本和實驗周期；(2)低溫下壓腔內的壓強值與室溫的加壓值沒有確定的關系，室溫的壓強值只是一個參考壓強；(3)不能在低溫條件下原位連續加壓。報道的對金剛石對頂砧低溫原位加壓的方法主要有兩種方式：一種是通過長傳送桿和真空饋通件在低溫恒溫器外對壓力裝置機械加壓[11]；另一種是通過外部通入壓縮氣體至低溫恒溫器內的氣囊，氣囊膨脹對壓力裝置施加壓力[11]。這兩種加壓方式存在加壓裝置龐大、結構復雜、不易操作等缺點。本文介紹的采用壓電驅動金剛石對頂砧來產生高壓，是一種低溫下原位連續加壓裝置，在低溫20 K 下連續加壓范圍約2—4 GPa，該加壓裝置具有成本低、體積小、結構簡單、操作方便、可以放置在小型低溫恒溫器中等優點，其實物照片如圖1(a)所示。

圖1 (a)壓電驅動金剛石對頂砧加壓裝置放在低溫恒溫器內的照片；(b)金剛石對頂砧部分與壓電陶瓷驅動部分截面示意圖

2 實驗裝置

2.1 加壓裝置設計

壓電陶瓷在外加電壓下，長度伸長并產生很大的推力。通過設計的金屬套筒將壓電陶瓷和金剛石對頂砧緊密地結合到一起，并放置到低溫恒溫器中，只需對壓電陶瓷施加電壓，就可以在金剛石對頂砧壓腔中產生高壓。具體裝置示意如圖1(b)所示。簡單的操作流程包括：首先將樣品、紅寶石小碎片(用于壓強標定)放置到壓腔中，傳壓介質充入壓腔中并擰緊加壓螺絲，把傳壓介質封入壓腔內，產生一個較小的初始壓強(通常為0-1 GPa之間)；擰緊金屬套筒，將壓電陶瓷和金剛石對頂砧緊密的結合到一起；最后，給壓電陶瓷加電壓，壓電陶瓷伸長并產生高達上千牛頓的推力給樣品加壓。

2.2 壓電陶瓷伸長量測量

壓電陶瓷的截面越大則推力越大，長度越長則其伸長量越大，從而在金剛石對頂砧壓腔內產生較大的壓強。但是考慮到低溫實驗中，低溫恒溫器的冷頭空間有限，難以放置長度過長的壓電陶瓷，因此需要綜合考慮選擇合適長度和推力的壓電陶瓷。實驗中選擇Piezomechanik 公司的Pst150/10×10 型壓電陶瓷(其他產品也可以，主要看推力和伸長量)，其長度為36 mm，可以產生高達8×103 N的推力。分別測量了室溫、低溫6 K 和80 K下壓電陶瓷的伸長量，如圖2 所示。在室溫下，壓電陶瓷的伸長量隨電壓線性增加，在電壓增加至120 V時(室溫額定電壓，低溫下可以加到200-300V，但電壓過高容易損壞壓電陶瓷)，壓電陶瓷的伸長量達到40 μm。當減小電壓時，壓電陶瓷縮回至初始位置。在低溫環境下，壓電陶瓷的伸長量與室溫相比會明顯減小，外加120 V電壓，80 K和6 K下，其伸長量分別減小到26 μm和15 μm。并且，伸長量隨電壓的增加不再是線性關系。工作溫度越低，壓電陶瓷的伸長量越小，金剛石對頂砧裝置施加的最大壓力也就越小。此外，在低溫工作環境下，還發現壓電陶瓷的一種特殊的現象：在低溫環境下，當接通電源(電壓為0 V)時，壓電陶瓷就會有一個伸長量。如果在降溫過程中，一直保持壓電陶瓷的正負極接通，則不會出現這種現象。

圖2 壓電陶瓷的伸長量與溫度和電壓的關系

2.3 壓腔中壓強與壓電陶瓷電壓的關系

金剛石對頂砧裝置在壓腔內產生的壓強值常用紅寶石(ruby)的R1峰來標定。圖3(a)為紅寶石在低溫20 K下的熒光光譜，隨著壓強的增大，R1峰會發生紅移，在小于30 GPa的范圍內，壓腔內壓強值可以用下面的公式來計算[16]：

其中，λ、λ0分別為同一溫度下壓強為P 和零壓下紅寶石R1 峰的波長，壓強的單位為GPa。圖3(b)顯示隨著壓電陶瓷電壓從0 V增加到290 V，壓腔中的壓強從0.49 GPa增加到4.41 GPa，其中0 V時的初始壓強為0.49 GPa，是室溫下擰緊加壓螺絲和降溫過程中金屬套筒的冷縮共同實現的。在低溫壓力實驗中，通過控制壓電陶瓷電壓來控制壓腔內的壓強，調諧壓腔接近4 GPa。可以看出，壓強隨著壓電陶瓷電壓的增加而按指數函數增加，因此選擇伸長量大的壓電陶瓷可以獲得更大的壓強調諧范圍。同時，壓腔內的壓強可以寫成P=a+b×exp(c×V)函數形式，這里a、b、c 為擬合常數，V，P分別為施加的電壓和對應的壓強。因此，實驗中只需要幾個壓強標定點就可以得到按指數分布的壓強與電壓的函數關系。這在有些特殊的低溫實驗中非常實用，如在連續加壓的過程中激光光斑不能移開樣品，跟蹤測量樣品的光譜和記錄施加的電壓，根據壓強與電壓的函數關系就可以計算實際的壓強值。或者實驗中設計兩束非共線的激發光束，分別激發樣品和紅寶石，同時實現原位調節壓強和壓強標定。

圖3 (a)低溫20 K紅寶石熒光光譜；(b)標定的壓強值和紅寶石R1峰波長隨壓電陶瓷電壓的變化；(c)標定的紅寶石熒光峰強度R2/R1比值隨溫度的變化；(d)壓電驅動金剛石對頂砧裝置壓腔中紅寶石熒光峰強度R2/R1比值隨腔內壓強的變化，給出壓腔內溫度

2.4 壓腔內溫度的標定

在低溫壓力實驗中，低溫恒溫器底盤的溫度為6.5 K，但是這個溫度并不是壓腔中的溫度，壓腔中的溫度可以通過測量紅寶石兩個熒光峰強度比值R2/R1得到，圖3(c)為標定的R2/R1比值隨溫度的變化關系。則測量R2/R1比值隨壓腔中壓強(外加電壓)的變化，得到圖3(d)所示壓強從0.49 GPa到4.41 GPa 調諧范圍內壓腔內的溫度保持在18-20 K之間，說明壓電驅動金剛石對頂砧裝置在低溫環境下的溫度穩定在小于2 K范圍之內。

3 加壓裝置低溫測量的應用

我們利用這套壓電驅動金剛石對頂砧加壓裝置測量了單量子點發光峰的移動，不同類型量子點的壓力行為以及單原子層中單個雜質態的壓力光譜等一系列需要低溫原位光譜測量技術的實驗。

3.1 原位調諧InAs/GaAs 單量子點單光子發射光譜

半導體單量子點由于具有發射速率高、與半導體工藝結合等優點被人們認為是最有前途的單光子源。為了和單原子、金剛石NV色心等其他單光子源進行量子存儲、量子干涉實驗研究，需要調諧單量子點單光子源的發射波長。通常的波長調諧手段包括溫度調節、電場調節、磁場調節、單軸和雙軸應力調節，調諧范圍在20 nm左右。

靜水壓力手段已廣泛用于半導體材料的能帶結構、量子阱以及系綜量子點等發光光譜的研究。而跟蹤單量子點的激子發光峰壓力響應需要在低溫下原位連續加壓，量子點熒光壓力光譜如圖4 所示[17]。圖中給出單量子點單激子(X)、雙激子(XX)和荷電激子(X+)的壓力光譜。可以看出，3種激子隨流體靜壓的增加移動的速率是不一樣的，單激子的移動速率明顯大于雙激子和荷電激子的速率，體現雙激子束縛能的變化。實現了低溫原位調諧量子點波長移動達到約150 nm，并且單光子發射強度和單光子純度基本保持不變。

圖4 單激子、雙激子和荷電激子的壓力光譜

3.2 GaAs/AlGaAs納米線上兩類量子點的壓力光譜

在GaAs/AlGaAs核殼結構納米線中，GaAs量子點嵌入到納米線殼層結構中。測量發現單根納米線中分布較多的GaAs 量子點，如圖5所示[18]。為了研究量子點的壓力光譜，必須采用低溫原位加壓調諧光譜測量方法。發現一類量子點具有閃鋅礦結構量子點，屬于直接帶隙Г谷間光學躍遷，壽命基本在1 ns之內，壓力系數75-100 meV/GPa，單光子發射率達到1 MHz。另一類量子點為纖鋅礦結構量子點，具有體GaAs 類L谷特性，對應較長的壽命(>4 ns)，壓力系數25—53 meV/GPa，單光子發射強度0.03 MHz。因此，低溫連續加壓技術有利于開展低溫原位弱信號及復雜光譜的測量與分析。

圖5 低溫常壓下GaAs/AlGaAs納米線量子點光譜

3.3 單層WSe2中單光子發射

自從2015 年在單原子層WSe2中發現單光子發射以來，認為單光子發射來源于雜質態(類量子點)。雜質態與帶邊激子(X0，X-)和局域激子(L1，L2)的關系還不清楚。采用低溫連續加壓裝置，得到X0、X-、L1和L2激子的壓力光譜，如圖(6)所示[19]。由發光峰的壓力行為可以指認，X0 和X-為帶邊激子，L1 和L2 為隨帶邊移動的淺雜質。在較大的壓力下產生許多具有單光子特性的雜質峰，它們來源于深中心雜質。圖中顯示兩次壓電陶瓷(PZT)連續加壓過程：第一次PZT施加壓強0.88-2.07 GPa(PZT 電壓0-200 V)；第二次PZT施加壓強2.92-4.21 GPa(PZT電壓0-200 V)。

圖6 單層WSe2熒光光譜發光峰能量和強度隨壓強的變化

4 結論

本文詳細介紹了壓電驅動金剛石對頂砧加壓裝置及其在單量子點的低溫壓力光譜測量中的應用。該裝置低溫連續加壓范圍約2-4 GPa(依賴于PZT的驅動電壓)，基本可以滿足單量子點激子能量調諧及能帶結構壓力光譜等方面的研究。若需要更大的加壓范圍，可以采取以下兩種方案：(1)采用低溫環境下伸長量更大的壓電陶瓷，這種方案受到低溫恒溫器樣品空間大小的限制；(2)提高壓電陶瓷的工作溫度。

此外，壓電驅動金剛石對頂砧低溫實驗中還有兩點需要注意：(1)低溫下壓腔中初始壓強值(電壓為0 V時)的調整。先在室溫下擰緊加壓螺絲在壓腔中產生一個初始壓強，然后將該裝置放置到低溫恒溫器中。隨著溫度的降低，金屬套筒和壓電陶瓷都收縮，但是金屬套筒收縮量更大，這樣會使壓電陶瓷和金剛石對頂砧的結合更加緊密，從而有利于通過對壓電陶瓷進一步施加電壓產生高壓。但是，若在室溫下就將壓電陶瓷和金剛石對頂砧緊壓在一起，在降溫過程就會對金剛石對頂砧加壓，導致低溫下的初始壓強會比室溫下擰緊加壓螺絲施加的初始壓強大的多。因此，要根據實驗的需求和經驗，合理調整室溫下壓電陶瓷與金剛石對頂砧裝置之間的距離；(2)壓電陶瓷對金剛石對頂砧施加壓力過程存在時間滯后現象，也就是說，給壓電陶瓷施加一個電壓后，壓腔內壓強是漸漸增加并穩定在一個壓強值。總之，金剛石對頂砧原位加壓方法雖然在實驗中得到一定的應用，但一些技術細節還需要進一步的完善。

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