压电驱动金刚石对顶砧加压装置的研制和应用

科学技术的进步推动高压装置的发展，极大地拓展和深入了高压物理等相关领域的研究。早在上世纪二三十年代，Bridgman 等就开始利用被叫做“Bridgman”的对顶砧和活塞—圆筒装置研究各种材料的高压性质[1，2]，可以获得10 GPa 的高压。到1950 年，Lawson 和Tang 开始尝试利用金刚石产生高压来进行材料的高压X射线衍射研究[3]。1959 年Jamieson 等[4]和Weir 等[5，6]，1962 年Piermarini 等[7]分别从实验上实现和发展了金刚石对顶砧(DAC)装置。1965 年，Valkenburg 将金属垫片引入到金刚石对顶砧装置中[8]。1973 年，Barnett 等发展了红宝石标定技术[9]，使得高压的标定误差减小到0.01 GPa。后来，人们找到了更多的传压介质，利用金刚石对顶砧装置可以获得高达60 GPa的高压。金刚石对顶砧斜角技术的出现更使得金刚石对顶砧装置可产生的最大压强达到500 GPa[10]。这些关键技术的发明使得金刚石对顶砧装置成为高压物理研究必不可少的实验手段。金刚石的带隙为5.47 eV，可以作为理想的光学窗口和荧光光谱、吸收光谱、拉曼光谱等光学测量手段结合起来，研究材料高压条件下的光学性质。另外，金刚石具有很高的热导率，可以方便的开展低温和高温条件下材料的高压物理研究。

       在金刚石对顶砧加压装置的发展过程中，通常的加压方法是机械加压，包括拧紧螺丝或采用外部机械装置施加压力到金刚石对顶砧，在高压腔中产生高压[11]。这种加压方式，对于研究室温条件下材料的高压性质是比较方便的，可以实现连续的加压。但是，许多高压物性研究需要在低温条件下进行，比如超导材料的超导特性[11-13]及半导体材料的光学性质等的研究[14，15]。低温实验的操作流程是：室温下通过拧紧螺丝给对顶砧施加一定的压力，然后将对顶砧装置放到低温恒温器中，并降温至目标温度，开始一个压强点的测量；然后再升温至室温，再施加新的压强值，重复前面的操作步骤。这种做法的缺点是：(1)低温实验需要反复降温和升温，大大增加了实验成本和实验周期；(2)低温下压腔内的压强值与室温的加压值没有确定的关系，室温的压强值只是一个参考压强；(3)不能在低温条件下原位连续加压。报道的对金刚石对顶砧低温原位加压的方法主要有两种方式：一种是通过长传送杆和真空馈通件在低温恒温器外对压力装置机械加压[11]；另一种是通过外部通入压缩气体至低温恒温器内的气囊，气囊膨胀对压力装置施加压力[11]。这两种加压方式存在加压装置庞大、结构复杂、不易操作等缺点。本文介绍的采用压电驱动金刚石对顶砧来产生高压，是一种低温下原位连续加压装置，在低温20 K 下连续加压范围约2—4 GPa，该加压装置具有成本低、体积小、结构简单、操作方便、可以放置在小型低温恒温器中等优点，其实物照片如图1(a)所示。