MRE: 一种测定压缩超导材料电阻率的新方法

       在金刚石压砧内测量压缩材料的电阻率是一项重大挑战。高压实验装置使得直接测量样品三个晶体方向上压力引起的尺寸变化变得困难。在这篇文章中，作者介绍了一种解决这些技术挑战的新颖而有效的方法。该方法有望为量子材料（特别是具有各向异性层状结构的材料）的高压研究提供宝贵的基础。

• 为研究人员提供了一种获取加压样品电阻率的新方法。

      电阻率 ρ 可以用以下方程描述：

       其中 σ 是电导率，R 是电阻，L 是用于电压测量的电极之间的距离，S 是样品的横截面积。

常压下，可以直接测量用于电压测量的电极之间的距离 L、横截面积 S 和常压样品的电阻 R0，从而确定常压电阻率 ρ0。假设 S = na0 × mc0 和 L = lb0，ρ0 可以表示如下：

       其中，a0、b0、c0 为样品晶胞在常压下的晶格参数，n、m、l 为样品在三个晶体方向上的晶胞数目。nm/l 的值可以根据样品的初始尺寸计算得出。随着压力的施加，a0、b0 和 c0 会发生变化，但在没有晶体结构相变的情况下，nm/l 保持不变。因此，在固定压力 Pi 下，电阻率 ρi 与测量电阻 Ri 之间的关系可以表示为:

       其中 ai、bi 和 ci 是 Pi 处的晶格参数，可以通过高压 X 射线衍射 (XRD) 测量获得。利用上述公式，我们可以推导出不同压力下的 ρi。

显然，高压电阻率测量中存在两个误差源。一个与晶格参数 ai、bi 和 ci 有关，导致的误差通常约为 5%。另一个与测量样品在三个晶体方向（n、m 和 l）上的晶胞数量有关。归因于这些的误差约为 5%–10%。因此，在最极端的情况下，误差约为 10%。

值得注意的是，采用这种方法时，样本必须满足以下条件：

1. 被测样品应为块体单晶，并应已知其常压尺寸 S 和 L、晶格参数a0、b0 和 c0、电阻率以及高压晶格参数 ai、bi 和 ci、电阻Ri。

2. 立方、四方和正交结构的样品适合获得更准确的ρi(Pi)。

3. 在所研究的压力范围内不应发生压力诱导的结构相变。

4. 在研究材料的低温特性时，使用低温 XRD 测量常压和高压下的晶格参数应比室温 XRD 获得更精确的结果。这是因为，低温下采集到的a0、b0、c0 以及 ai、bi、ci 的值与室温下测得的值可能会有一定差异。

       图 1. (a) 金刚石压砧中用于电阻测量的高压实验装置示意图，其中立方氮化硼 (c-BN) 和环氧树脂的混合物用作绝缘材料，红宝石用来确定样品压力。(b) 放大视图显示了样品在垫片孔中的排列情况。使用标准四探针法与样品建立接触，同时使用绝缘材料将其与金属垫片隔开。(c) 测量样品和电阻测量技术。这三个方程解释了确定压缩材料电阻率的方法。

转载自：高压超导社团