作者：丁琨 竇秀明 孫寶權(quán)  (中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所)

關(guān)鍵詞 金剛石對頂砧，壓電驅(qū)動(dòng)，低溫實(shí)驗(yàn)

1 引言

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)高壓裝置的發(fā)展，極大地拓展和深入了高壓物理等相關(guān)領(lǐng)域的研究。早在上世紀(jì)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(zhì)[1，2]，可以獲得10 GPa 的高壓。到1950 年，Lawson 和Tang 開始嘗試?yán)媒饎偸a(chǎn)生高壓來進(jìn)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P(guān)iermarini 等[7]分別從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)和發(fā)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(fā)展了紅寶石標(biāo)定技術(shù)[9]，使得高壓的標(biāo)定誤差減小到0.01 GPa。后來，人們找到了更多的傳壓介質(zhì)，利用金剛石對頂砧裝置可以獲得高達(dá)60 GPa的高壓。金剛石對頂砧斜角技術(shù)的出現(xiàn)更使得金剛石對頂砧裝置可產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)達(dá)到500 GPa[10]。這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)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(shí)驗(yàn)手段。金剛石的帶隙為5.47 eV，可以作為理想的光學(xué)窗口和熒光光譜、吸收光譜、拉曼光譜等光學(xué)測量手段結(jié)合起來，研究材料高壓條件下的光學(xué)性質(zhì)。另外，金剛石具有很高的熱導(dǎo)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。

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在金剛石對頂砧加壓裝置的發(fā)展過程中，通常的加壓方法是機(jī)械加壓，包括擰緊螺絲或采用外部機(jī)械裝置施加壓力到金剛石對頂砧，在高壓腔中產(chǎn)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(zhì)是比較方便的，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的加壓。但是，許多高壓物性研究需要在低溫條件下進(jìn)行，比如超導(dǎo)材料的超導(dǎo)特性[11-13]及半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)等的研究[14，15]。低溫實(shí)驗(yàn)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(biāo)溫度，開始一個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)的測量；然后再升溫至室溫，再施加新的壓強(qiáng)值，重復(fù)前面的操作步驟。這種做法的缺點(diǎn)是：(1)低溫實(shí)驗(yàn)需要反復(fù)降溫和升溫，大大增加了實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)周期；(2)低溫下壓腔內(nèi)的壓強(qiáng)值與室溫的加壓值沒有確定的關(guān)系，室溫的壓強(qiáng)值只是一個(gè)參考壓強(qiáng)；(3)不能在低溫條件下原位連續(xù)加壓。報(bào)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(jī)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(nèi)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易操作等缺點(diǎn)。本文介紹的采用壓電驅(qū)動(dòng)金剛石對頂砧來產(chǎn)生高壓，是一種低溫下原位連續(xù)加壓裝置，在低溫20 K 下連續(xù)加壓范圍約2—4 GPa，該加壓裝置具有成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、可以放置在小型低溫恒溫器中等優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)物照片如圖1(a)所示。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 加壓裝置設(shè)計(jì)

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壓電陶瓷在外加電壓下，長度伸長并產(chǎn)生很大的推力。通過設(shè)計(jì)的金屬套筒將壓電陶瓷和金剛石對頂砧緊密地結(jié)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(chǎn)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(qiáng)標(biāo)定)放置到壓腔中，傳壓介質(zhì)充入壓腔中并擰緊加壓螺絲，把傳壓介質(zhì)封入壓腔內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)較小的初始壓強(qiáng)(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(jié)合到一起；最后，給壓電陶瓷加電壓，壓電陶瓷伸長并產(chǎn)生高達(dá)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(nèi)產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)。但是考慮到低溫實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中選擇Piezomechanik 公司的Pst150/10×10 型壓電陶瓷(其他產(chǎn)品也可以，主要看推力和伸長量)，其長度為36 mm，可以產(chǎn)生高達(dá)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(shí)(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(dá)到40 μm。當(dāng)減小電壓時(shí)，壓電陶瓷縮回至初始位置。在低溫環(huán)境下，壓電陶瓷的伸長量與室溫相比會(huì)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(guān)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(huán)境下，還發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷的一種特殊的現(xiàn)象：在低溫環(huán)境下，當(dāng)接通電源(電壓為0 V)時(shí)，壓電陶瓷就會(huì)有一個(gè)伸長量。如果在降溫過程中，一直保持壓電陶瓷的正負(fù)極接通，則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

2.3 壓腔中壓強(qiáng)與壓電陶瓷電壓的關(guān)系

金剛石對頂砧裝置在壓腔內(nèi)產(chǎn)生的壓強(qiáng)值常用紅寶石(ruby)的R1峰來標(biāo)定。圖3(a)為紅寶石在低溫20 K下的熒光光譜，隨著壓強(qiáng)的增大，R1峰會(huì)發(fā)生紅移，在小于30 GPa的范圍內(nèi)，壓腔內(nèi)壓強(qiáng)值可以用下面的公式來計(jì)算[16]：

其中，λ、λ0分別為同一溫度下壓強(qiáng)為P 和零壓下紅寶石R1 峰的波長，壓強(qiáng)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(qiáng)從0.49 GPa增加到4.41 GPa，其中0 V時(shí)的初始壓強(qiáng)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(shí)現(xiàn)的。在低溫壓力實(shí)驗(yàn)中，通過控制壓電陶瓷電壓來控制壓腔內(nèi)的壓強(qiáng)，調(diào)諧壓腔接近4 GPa?？梢钥闯?，壓強(qiáng)隨著壓電陶瓷電壓的增加而按指數(shù)函數(shù)增加，因此選擇伸長量大的壓電陶瓷可以獲得更大的壓強(qiáng)調(diào)諧范圍。同時(shí)，壓腔內(nèi)的壓強(qiáng)可以寫成P=a+b×exp(c×V)函數(shù)形式，這里a、b、c 為擬合常數(shù)，V，P分別為施加的電壓和對應(yīng)的壓強(qiáng)。因此，實(shí)驗(yàn)中只需要幾個(gè)壓強(qiáng)標(biāo)定點(diǎn)就可以得到按指數(shù)分布的壓強(qiáng)與電壓的函數(shù)關(guān)系。這在有些特殊的低溫實(shí)驗(yàn)中非常實(shí)用，如在連續(xù)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(jù)壓強(qiáng)與電壓的函數(shù)關(guān)系就可以計(jì)算實(shí)際的壓強(qiáng)值。或者實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)兩束非共線的激發(fā)光束，分別激發(fā)樣品和紅寶石，同時(shí)實(shí)現(xiàn)原位調(diào)節(jié)壓強(qiáng)和壓強(qiáng)標(biāo)定。

2.4 壓腔內(nèi)溫度的標(biāo)定

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在低溫壓力實(shí)驗(yàn)中，低溫恒溫器底盤的溫度為6.5 K，但是這個(gè)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(gè)熒光峰強(qiáng)度比值R2/R1得到，圖3(c)為標(biāo)定的R2/R1比值隨溫度的變化關(guān)系。則測量R2/R1比值隨壓腔中壓強(qiáng)(外加電壓)的變化，得到圖3(d)所示壓強(qiáng)從0.49 GPa到4.41 GPa 調(diào)諧范圍內(nèi)壓腔內(nèi)的溫度保持在18-20 K之間，說明壓電驅(qū)動(dòng)金剛石對頂砧裝置在低溫環(huán)境下的溫度穩(wěn)定在小于2 K范圍之內(nèi)。

3 加壓裝置低溫測量的應(yīng)用

我們利用這套壓電驅(qū)動(dòng)金剛石對頂砧加壓裝置測量了單量子點(diǎn)發(fā)光峰的移動(dòng)，不同類型量子點(diǎn)的壓力行為以及單原子層中單個(gè)雜質(zhì)態(tài)的壓力光譜等一系列需要低溫原位光譜測量技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。

3.1 原位調(diào)諧InAs/GaAs 單量子點(diǎn)單光子發(fā)射光譜

半導(dǎo)體單量子點(diǎn)由于具有發(fā)射速率高、與半導(dǎo)體工藝結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)被人們認(rèn)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(jìn)行量子存儲(chǔ)、量子干涉實(shí)驗(yàn)研究，需要調(diào)諧單量子點(diǎn)單光子源的發(fā)射波長。通常的波長調(diào)諧手段包括溫度調(diào)節(jié)、電場調(diào)節(jié)、磁場調(diào)節(jié)、單軸和雙軸應(yīng)力調(diào)節(jié)，調(diào)諧范圍在20 nm左右。

靜水壓力手段已廣泛用于半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、量子阱以及系綜量子點(diǎn)等發(fā)光光譜的研究。而跟蹤單量子點(diǎn)的激子發(fā)光峰壓力響應(yīng)需要在低溫下原位連續(xù)加壓，量子點(diǎn)熒光壓力光譜如圖4 所示[17]。圖中給出單量子點(diǎn)單激子(X)、雙激子(XX)和荷電激子(X+)的壓力光譜?？梢钥闯?，3種激子隨流體靜壓的增加移動(dòng)的速率是不一樣的，單激子的移動(dòng)速率明顯大于雙激子和荷電激子的速率，體現(xiàn)雙激子束縛能的變化。實(shí)現(xiàn)了低溫原位調(diào)諧量子點(diǎn)波長移動(dòng)達(dá)到約150 nm，并且單光子發(fā)射強(qiáng)度和單光子純度基本保持不變。

3.2 GaAs/AlGaAs納米線上兩類量子點(diǎn)的壓力光譜

在GaAs/AlGaAs核殼結(jié)構(gòu)納米線中，GaAs量子點(diǎn)嵌入到納米線殼層結(jié)構(gòu)中。測量發(fā)現(xiàn)單根納米線中分布較多的GaAs 量子點(diǎn)，如圖5所示[18]。為了研究量子點(diǎn)的壓力光譜，必須采用低溫原位加壓調(diào)諧光譜測量方法。發(fā)現(xiàn)一類量子點(diǎn)具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)，屬于直接帶隙Г谷間光學(xué)躍遷，壽命基本在1 ns之內(nèi)，壓力系數(shù)75-100 meV/GPa，單光子發(fā)射率達(dá)到1 MHz。另一類量子點(diǎn)為纖鋅礦結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)，具有體GaAs 類L谷特性，對應(yīng)較長的壽命(>4 ns)，壓力系數(shù)25—53 meV/GPa，單光子發(fā)射強(qiáng)度0.03 MHz。因此，低溫連續(xù)加壓技術(shù)有利于開展低溫原位弱信號及復(fù)雜光譜的測量與分析。

3.3 單層WSe2中單光子發(fā)射

自從2015 年在單原子層WSe2中發(fā)現(xiàn)單光子發(fā)射以來，認(rèn)為單光子發(fā)射來源于雜質(zhì)態(tài)(類量子點(diǎn))。雜質(zhì)態(tài)與帶邊激子(X0，X-)和局域激子(L1，L2)的關(guān)系還不清楚。采用低溫連續(xù)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(fā)光峰的壓力行為可以指認(rèn)，X0 和X-為帶邊激子，L1 和L2 為隨帶邊移動(dòng)的淺雜質(zhì)。在較大的壓力下產(chǎn)生許多具有單光子特性的雜質(zhì)峰，它們來源于深中心雜質(zhì)。圖中顯示兩次壓電陶瓷(PZT)連續(xù)加壓過程：第一次PZT施加壓強(qiáng)0.88-2.07 GPa(PZT 電壓0-200 V)；第二次PZT施加壓強(qiáng)2.92-4.21 GPa(PZT電壓0-200 V)。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了壓電驅(qū)動(dòng)金剛石對頂砧加壓裝置及其在單量子點(diǎn)的低溫壓力光譜測量中的應(yīng)用。該裝置低溫連續(xù)加壓范圍約2-4 GPa(依賴于PZT的驅(qū)動(dòng)電壓)，基本可以滿足單量子點(diǎn)激子能量調(diào)諧及能帶結(jié)構(gòu)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(huán)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。

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此外，壓電驅(qū)動(dòng)金剛石對頂砧低溫實(shí)驗(yàn)中還有兩點(diǎn)需要注意：(1)低溫下壓腔中初始壓強(qiáng)值(電壓為0 V時(shí))的調(diào)整。先在室溫下擰緊加壓螺絲在壓腔中產(chǎn)生一個(gè)初始壓強(qiáng)，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(huì)使壓電陶瓷和金剛石對頂砧的結(jié)合更加緊密，從而有利于通過對壓電陶瓷進(jìn)一步施加電壓產(chǎn)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(huì)對金剛石對頂砧加壓，導(dǎo)致低溫下的初始壓強(qiáng)會(huì)比室溫下擰緊加壓螺絲施加的初始壓強(qiáng)大的多。因此，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求和經(jīng)驗(yàn)，合理調(diào)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(shí)間滯后現(xiàn)象，也就是說，給壓電陶瓷施加一個(gè)電壓后，壓腔內(nèi)壓強(qiáng)是漸漸增加并穩(wěn)定在一個(gè)壓強(qiáng)值?？傊?，金剛石對頂砧原位加壓方法雖然在實(shí)驗(yàn)中得到一定的應(yīng)用，但一些技術(shù)細(xì)節(jié)還需要進(jìn)一步的完善。