[发明专利]高压霍尔效应测量装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明属于高压下的测量方法技术领域，特别涉及一种高压条件下霍尔效应原位测量的方法及配套装置。

背景技术

金刚石对顶砧(DAC)是目前研究高压普遍使用的超高压装置，适合与多种测试方法配套进行高温高压下物理量的原位测量。DAC技术的应用与发展使人们可以在更高的温度压力条件下研究物质的结构和物理性质。现在，人们利用DAC已经实现了多种物理量的原位测量。

在DAC上进行高压下原位霍耳效应测量，对于高压物理研究是重要的实验方法，可以得到高压下物质载流子浓度、类型、迁移率等物理量，这是其他方法无法获得的。

现有的金刚石对顶砧由两颗金刚石压砧组成，在两颗金刚石压砧中间放置垫片封压，在两颗金刚石压砧相对的砧面位置形成的样品腔中放置样品；金刚石对顶砧在压机腔体受压，对样品实施高压。在金刚石对顶砧和压机之间还有摇床，摇床是直接给两颗金刚石压砧用的底座。摇床直径一般是15～25mm，中心处有一个直径约1mm的小锥孔，以便在标定压力时用于光谱的采集。

利用现有的金刚石对顶砧在高压下原位测量霍尔效应则尚无先例。由于金刚石对顶砧砧面太小、产生高压的压机和两颗金刚石压砧之间使用的垫片是钢材的、外加的产生磁场的电磁铁两个磁头的距离太大等原因，无法实现金刚石对顶砧在高压下原位进行霍尔效应测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是建立金刚石对顶砧(DAC)上高压原位霍耳效应测量的方法，通过解决一系列技术难题，设计特定的高压原位霍耳效应测量的装置，实现高压原位霍尔效应的测量。

为实现高压原位霍尔效应的测量的目的，本发明解决了如下的难点：

首先，通常情况下，超高压装置金刚石对顶砧(DAC)所使用的压机都是钢材做成的，使用的垫片是T301钢片，在这样的情况下，压机和垫片在磁场中都会被磁化，使得整个压机内部的空间的磁场呈现不均匀性，无法保证压机里面样品处磁场的均匀性，所以要实现高压下原位霍耳效应的测量，就必须要保证样品位置处的磁场均匀性。

解决这个难点，本发明选用的压机不是通常用钢材所做的压机，而是采用合金材料做成的压机，比方用钛合金作压机，在有磁场的情况下，不会被磁化，让磁场均匀的穿过压机，选用的垫片是金属铼片，也不会被磁场所磁化，这样就保证了在整个装置中，有磁场通过的情况下压机内部磁场的均匀性，也就解决了在DAC上进行高压下原位霍耳效应测量第一个难点。

其次，实现在DAC上进行高压下原位霍耳效应测量，要解决的第二个难点就是怎样将磁场导入而且还可用，产生磁场的电磁体是直流电通过环绕的线圈产生磁场，两个磁头的距离越小，在两个磁头之间产生的磁场就越大，当两个磁头的直径是76mm时，两个磁头的距离只有1cm，才可以产生0～3.5T的磁场。但是对于超高压装置金刚石对顶砧(DAC)所使用的压机来说，这个距离实在是太小太小了，DAC所使用的压机要想放进两个磁头之间的话，就必须要有10cm左右的距离才可以，但是如果两个磁头的距离在10cm左右的话，所产生的磁场就太小太小了，只有几百高斯的磁场强度，对于霍尔测量来说几乎是没有什么意义，可能就无法测量。

因此，为了解决这个难点，本发明选用了两个用钢材做成的摇床。摇床在磁场中会被磁化，有聚磁的作用，而且两个摇床的之间的距离只有5mm左右，因此，在这样的情况下即使电磁体的两个磁头的距离有10cm，将压机放置进去后，两个摇床之间也可以产生0～2T的磁场，这样的磁场强度对于霍尔测量就可以了，这样就解决了如何将磁场导入压机而且产生可用的磁场强度。

接下来要解决的就是如果实现原位测量的第三个难点，也就是怎么才能探测到样品所在位置的磁场强度的难点。对样品所在位置磁场强度的原位测量，高斯计探头所探测位置的磁场强度不是样品所在位置的磁场强度，摇床的直径在22mm左右，而且摇床中心有一个直径1mm的锥孔。因此，在摇床之间产生的磁场非完全均匀的磁场。本发明采用逐渐递进的方式测量了两个摇床之间的不同位置的磁场分布情况：由于使用无磁性的压机和含铁磁性物质的摇床，在摇床中心直径为10mm区域产生一个几乎均匀的磁场区域，摇床的中心位置也就是样品所在的位置的磁场强度与这直径为10mm的区域内的磁场几乎一样，样品所在位置的磁场强度与高斯计探头所在位置探测的磁场强度的差值不超过百分之一(参见图5)，也就解决了无法探测样品处磁场强度的这个难点。