[发明专利]一种高温高压下金属电阻率的原位测量方法

说明书

本发明涉及一种高温高压下金属电阻率的原位测量方法，以范德堡四线法作为测量原理，六面顶大腔体压机作为产生高温和高压的设备平台；使用叶腊石作为传压介质，石墨管、石墨片作为发热器，六方氮化硼管作为样品仓，六方氮化硼柱体作为充填物，金属丝作为测试电极，热电偶丝作为测温元件，将测试电极引入密闭样品仓与样品紧密接触，以满足高压实验条件。本发明首次将范德堡四线法应用于国产六面顶大腔体压机之上，可以快速、准确地测量粉末或块状金属材料的在高温高压下的原位电阻率，成功地克服了高压原位测量电阻率的难题；利用本发明在3‑5GPa、300‑1200℃范围内对金属铁进行了多次测量，结果显示本发明可以获取准确的原位电阻率数据。

技术领域

本发明涉及高压实验技术领域，具体涉及一种适用于粉末、块状金属高温高压原位电阻率快速测量的方法。

背景技术

高压科学是在极端压强条件下研究物质特性的一门科学。在极端压强条件下，材料往往会呈现出常压下不具备的性质。比如，高压导致的结构转变会使得物质具备常压下没有的晶体结构，拓展了我们对于物质世界的认识以及对新材料的开发利用。高压可以导致材料从绝缘体转变到导体，为室温超导提供了发展思路。在材料合成和制备领域，高压可以作为辅助条件，极大的降低材料的反应活化能，从而在较低温度下制备出性能更为卓越的应用材料。

高压实验技术是推动高压科学发展的关键因素。原位测量物质在高压条件下的物性转变是高压实验领域最为关键的任务。其中，电阻率的原位测量对于认识高压条件下物质的电输运特性尤为重要。目前，高压下原位测量电阻率的技术方案主要包含两种。一种是基于范德堡(Van der Pauw)四线法原理的测量技术，目前仅仅应用在金刚石对顶砧(Diamond Anvil Cell，DAC)压机之上。DAC是一种特殊的超高压强的产生设备，它采用一对顶端磨平的金刚石单晶体形成压力腔室(简称压腔)，被压缩的样品尺寸仅有微米(1μm＝10^-6m)量级。这种设备可以产生几百GPa(1GPa＝10⁹Pa＝1万大气压)的极端高压条件。然而由于样品太小导致电极接入非常困难，而且，由于相对接触面积较大，实验结果的不准确性无法预估，目前应用于DAC设备的电阻率原位测量技术并不是完善的，或者说可操作性并不高，仅仅在极少数的几个科研实验室得到应用。

另一种高压电阻率的原位测量技术是基于电阻定律，多应用于多顶砧压机(MultiAnvil Press，MA)。MA设备的腔体相对较大，样品尺寸一般从毫米到厘米量级。目前使用较为广泛的MA设备包括6-8型压机(Walker型)和六面顶大腔体压机(Cubic Press)。前者可以产生25GPa左右的高压，样品尺寸一般几个毫米。后者属于我国自主研发生产的高压设备，样品直径可以达到几个厘米以上，可以产生大约8GPa的高压。由于腔体很大，国产六面顶大腔体压机除了用于科研领域，更主要的是在超硬材料生产领域，用于合成人造金刚石或者立方氮化硼这类超硬材料，满足工业上对于超硬磨料和刀具的需求。电阻定律(R＝ρL/S)表明，只要测量了样品的电阻R，同时知道样品的长度L和截面积S，电阻率ρ就可以通过简单计算得到。电阻R的测量借助伏安法：使用恒流源在样品两端通入恒定电流，通过高精度电表测量其两端的电压降，经由欧姆定律计算电阻。因为传输线和电极不允许加载过大的电流，同时出于安全的考虑，一般样品两端接入的恒定电流不高于1A。然而，由于金属的电阻率极低，如果实际测试时使用的样品直径(或者说横截面积S)较大，在1A左右的恒定电流激励下样品两端的电势差很低，甚至可能被噪声覆盖。所以，目前报导的应用欧姆定律结合MA压机原位测量金属电阻率的实验，样品都是丝状的纯金属，直径一般不大于0.25mm。总体来讲，这种技术存在两个方面的不足：一是样品种类受到限制，尤其是混合材料(非纯金属)样品由于其物理化学性质的缘故是不方便或者不可能制作成丝状的，使得这种技术存在研究对象方面的局限性；二是在高压挤压下原本规则的丝状样品会发生变形，这种变形往往不可能是完全规则或者对称的，导致难以准确测量细长样品的长度和横截面积，最终导致计算结果不可靠。目前所有报导的使用电阻定律原位测量高压下金属电阻率的结果之间并没有一致性。

发明内容