一種基于電致發(fā)熱效應(yīng)的一維納米材料的焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電致發(fā)熱效應(yīng)的一維納米材料的焊接方法，其通過探針電極施加一定波形和大小的電壓，將單根一維納米材料焊接在帶電極基底上。本發(fā)明通過一維納米材料的電致發(fā)熱，使基底上的導(dǎo)電膜與一維納米材料結(jié)合部的局部互溶即可達到焊接的效果，且一維納米材料與基底之間的結(jié)合強度大于50nN。本發(fā)明具有可精確選擇控制一維納米材料的焊接位置，焊點小、精確度高；不需引入其他的焊接材料，不會對樣品造成污染，對納電子學的發(fā)展起到關(guān)鍵的推動作用。
【專利說明】一種基于電致發(fā)熱效應(yīng)的一維納米材料的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于電致發(fā)熱效應(yīng)的一維納米材料與帶電極基底之間的焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著納米科技的不斷進步，人們已經(jīng)能夠輕易通過各種物理、化學或生物等辦法制備出千千萬萬種納米材料，其中一維納米材料以其獨特的電學性質(zhì)及其在新型超大規(guī)模集成電路中的應(yīng)用潛力獲得了各界的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)以單根一維納米材料為基礎(chǔ)，將其與納米器件單元焊接到一起成為具有特種功能及作用的納米電子器件、構(gòu)筑電路及新型傳感器等已經(jīng)是一門世界性的前沿課題。由于納米材料的尺寸與焊接工具的尺寸無法匹配而造成焊接困難。
[0003]在納米器件構(gòu)筑的研究中，已經(jīng)有一些一維納米材料的焊接方法被發(fā)展出來，如:(I)掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)以及由它們發(fā)展而成的各類掃描探針技術(shù)。但是用STM、AFM和掃描探針時進行一維納米材料焊接時往往存在成本高、效率低的缺點，且還存在針尖易污染、易破損而不能反復(fù)使用等問題。
[0004](2)采用高能電子束實現(xiàn)碳納米管間的連接?？墒怯捎陔娮语@微鏡真空腔內(nèi)或附粘在碳納米管表面的碳氫化合物數(shù)量的不可控性而極大地制約了該方法在納米焊接中的普遍使用。此外，高能電子束系統(tǒng)使用成本十分昂貴且不易集成到工業(yè)生產(chǎn)線中，其需要在比較苛刻的高真空和高電壓下才能進行操作。
[0005](3)借助于掃描電鏡中聚焦離子束沉積系統(tǒng)(FIB)和電子束曝光系統(tǒng)(EBL)來構(gòu)筑納米器件電極。該方法的優(yōu)點是加工圖案精確可控和效率高。但它們也存在諸多問題及不足:第一是影響到器件的本征性能:如FIB構(gòu)筑電極時，存在離子源污染樣品，在所加工的納米結(jié)構(gòu)中留下離子源如Ga原子等元素；第二是由于EBL需要引入曝光技術(shù)，其工藝復(fù)雜，一定程度上也污染了樣品。
[0006]基于上述各種焊接方法的缺陷，因此開發(fā)一種無污染、便捷而易操作的一維納米材料焊接方法是十分迫切的。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明提供一種基于電致發(fā)熱效應(yīng)的一維納米材料的焊接方法，將一維納米材料焊接在帶電極基底上，使其焊接牢固且焊接位置可控。
[0008]本發(fā)明的發(fā)明原理是通過在待焊接的一維納米材料與帶電極基底之間施加特定的電壓，形成電流回路，由于接觸電阻較大，因此在兩種材料的結(jié)合部位產(chǎn)生更大的熱量，通過調(diào)控施加電壓的大小以及波形即可以實現(xiàn)一維納米材料與帶電極基底的接觸部位瞬間局部被熔化，從而將一維納米材料焊接在帶電極基底上而構(gòu)筑電路形成納米電子器件、傳感器等。
[0009]一種基于電致發(fā)熱效應(yīng)的一維納米材料的焊接方法，通過探針電極施加一定波形和大小的電壓，將單根一維納米材料焊接在帶電極基底上。[0010]進一步，所述一維納米材料是含金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、銦(In)、鋅(Zn)、氧化鋅(ZnO)、二氧化錫(SnO2)或二氧化鈦(TiO2)的納米線、納米帶、納米管或納米電纜；所述一維納米材料的直徑為10?lOOOnm。
[0011]進一步，所述探針電極是指曲率半徑不大于500nm的鎢探針電極或銀探針電極。
[0012]進一步，所述帶電極基底是指在硅片、玻璃、導(dǎo)電玻璃、有機玻璃或及聚合物薄膜的表面經(jīng)蒸發(fā)、濺射或離子束沉積方法形成一層金(Au)、銀(Ag)或銅(Cu)電極薄膜。
[0013]進一步，所述電壓的波形是指線性、方波、正弦波、脈沖波、鋸齒波、階梯波；電壓的大小為-20V?20V。
[0014]進一步,所述單根一維納米材料與帶電極基底之間的結(jié)合力大于50 nNo
[0015]進一步，所述單根一維納米材料的選取包括如下步驟:
(I)分散:將待焊接的一維納米材料經(jīng)超聲分散在溶劑中形成質(zhì)量比濃度為Wg/mL?10mg/mL的分散液,取分散液滴在潔凈的娃片表面；靜置后，娃片表面均勻分散了一維納米材料；
(2 )選取:在掃描電鏡下，使用納米操縱探針選定一根一維納米材料并將其挑起轉(zhuǎn)移到帶電極基底上的待焊接處進行待焊接。
[0016]更進一步，所述步驟(I)中超聲分散的功率為不小于10毫瓦，超聲分散時間為5?30分鐘。
[0017]更進一步，所述步驟(I)中溶劑為水、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚或異丙醇。
[0018]更進一步，所述步驟(I)中潔凈的硅片是指依次通過丙酮、乙醇的超聲清洗后再用98%的濃硫酸中浸泡，最后用去離子水漂洗3?5次所得。
[0019]本發(fā)明先將一維納米材料進行超聲分散于溶劑中形成分散液，再將分散液滴到潔凈的娃片表面置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，一維納米材料即分散在娃片上。然后在掃描電鏡下，通過納米操縱探針將單根一維納米材料挑起并移動到帶電極基底上待焊接處以待焊接。然后使用一根探針電極壓在一維納米材料的表面，另一根探針電極壓在位于該一維納米材料附近的帶電極基底導(dǎo)電層上，通電施加一定波形和大小的電壓。在施加電壓的過程中，一維納米材料與帶電極基底的導(dǎo)電層之間接觸電阻逐漸減小，而兩電極間的電流逐步增加；當兩電極之間的電流達到恒定并達到最小值時，使一維納米材料的接觸部位瞬間局部被熔化，從而將一維納米材料焊接在帶電極基底上而構(gòu)筑電路形成納米電子器件、傳感
[0020]本發(fā)明中單根一維納米材料的定位是通過納米操縱探針來實現(xiàn)的。其中用于分散一維納米材料的潔凈的硅片是通過以下方式清洗得到的:首先在丙酮中超聲清洗30min，然后在乙醇中超聲清洗30min,接著在98%的濃硫酸中浸泡Ih后,最后再用去尚子水中漂洗
3-5 次。
[0021]本發(fā)明的焊接方法相對于現(xiàn)有技術(shù)中的焊接方法具有以下有益效果:
1、本發(fā)明僅依靠一維納米材料的電致發(fā)熱，使基底上的導(dǎo)電膜與一維納米材料結(jié)合部的局部互溶即可達到焊接的效果，且單根一維納米材料與帶電極基底之間的結(jié)合力大于50
nNo
[0022]2、本發(fā)明直接將一維納米材料焊接在基底上，而不需引入其他的焊接材料，也不會對樣品造成污染。[0023]3、本發(fā)明是通過探針電極壓在一維納米材料的表面，達到對一維納米材料進行定位，從而達到精確控制焊點位置的目的，并且使焊點小、精確度高。
[0024]4、本發(fā)明將為新型功能納米器件的開發(fā)提供良好平臺，對納電子學的發(fā)展起到關(guān)鍵的推動作用。
[0025]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1是分散在潔凈硅片上的Cu納米線的掃描電鏡圖(SEM)和透視電鏡圖(TEM)，其中圖a — c分別是Cu納米線放大5000倍、8000倍和100000倍的掃描電鏡圖；圖d是Cu納米線的透視電鏡圖。
[0026]圖2是Cu納米線在帶Au膜的硅片上焊接過程掃描電鏡圖(SEM)，其中圖a是加電壓焊接前，圖b是加電壓焊接中，圖c是焊接完成，圖d是焊接后。
[0027]圖3是本發(fā)明一維納米材料在焊接過程中的電壓-電流譜。
[0028]圖4是焊接后的Cu納米線與基底的結(jié)合力測試過程掃描電鏡圖。
[0029]圖5是焊接在帶Au電極的硅片基底上Cu納米線在被推動過程中所受力的變化曲線圖。
[0030]
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0032]實施例1
1、分散:取IOOPg直徑為10nm、平均長度約20Mm的Cu納米線分散在IOOml乙醇溶液中，在功率為IOmW的超聲波振蕩器中超聲振蕩5分鐘；分散均勻后，取IOPL分散液滴在潔凈的硅片表面。然后將硅片置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，即可使一維納米材料分散在硅片上；如圖1所示，分散在硅片上的Cu納米線被分別放大5000倍、8000倍和100000倍的掃描電鏡圖分別如圖1中a — c所示；其透視電鏡圖如圖1中d所示。表明Cu納米線分散在硅片上，而便于后續(xù)單跟納米線的挑??；
2、選取:在掃描電鏡下，選定一根Cu納米線，使用納米操縱探針將其挑起并轉(zhuǎn)移到另一帶Au電極的娃片基底上，并放置在待焊接處；
3、焊接:選用兩根曲率半徑為500nm的鎢探針電極，其中一根壓在Cu納米線表面，另一根壓在該Cu納米線附近的基底Au導(dǎo)電層上，并施加-10?IOV的線性電壓將Cu納米線焊接在娃片基底上，如圖2所不。
[0033]本實施例的Cu納米線與硅片基底焊接過程中的電壓-電流譜如圖3所示，當兩電極施加電壓時，由于Cu納米線與帶Au電極的硅片基底之間存在著較大的接觸電阻，因此剛施加電壓時電流非常微弱；而隨著施加的電壓逐漸增加，Cu納米線部分逐漸熔化，并使之與Au導(dǎo)電層之間的接觸電阻逐漸減小,最終當Cu納米線與帶Au電極的基底焊接在一起時，其接觸電阻便到最小且兩電極的電阻固定。
[0034]圖4是焊接后的Cu納米線與基底的結(jié)合力測試過程掃描電鏡圖。使用力傳感器的懸臂梁推動焊接在帶Au電極的硅片基底上Cu納米線。懸臂梁逐漸向焊接了的Cu納米線推進(圖4中a — e)，將Cu納米線推到一定位置之后，懸臂梁再逐步后退，直至脫開Cu納米線(圖4中e — i)。從圖4中可發(fā)現(xiàn)，在懸臂梁的推動過程中Cu納米線是圍繞著焊接點而進行移動的，并且當推動力消除了之后Cu納米線又回到了原來的位置，這證明了 Cu納米線已經(jīng)被牢牢地焊接在硅片基底上。
[0035]圖5是焊接在帶Au電極的硅片基底上Cu納米線在被推動過程中所受力的變化曲線圖，其焊接后的Cu納米線可承受IOOnN的力，這也證明了本發(fā)明的焊接方法是有效的。
[0036]實施例2
1、分散:取IOOPg直徑為15nm、平均長度約5Mm的Cu納米管分散在50ml水中，在功率為IOmW的超聲波振蕩器中超聲振蕩15分鐘。分散均勻后，取IOPL分散液滴在潔凈的硅片表面。然后將硅片置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，即可使一維納米材料分散在硅片上；
2、選取:在掃描電鏡下，選定一根Cu納米管，使用納米操縱探針將其挑起并轉(zhuǎn)移到另一帶Ag電極的娃片基底上，并放置在待焊接處；
3、焊接:使用兩根曲率半徑為500nm的鎢探針電極，其中一根壓在Cu納米管表面，另一根壓在該Cu納米線附近的硅片基底Ag導(dǎo)電層上，并施加IOV的方波電壓將Cu納米管焊接在硅片基底上。
[0037]實施例3
1、分散:取20(^g直徑為80nm、平均長度約15Mm的Ag納米線分散在IOml甲醇中，在功率為30mW的超聲波振蕩器中超聲振蕩30分鐘。分散均勻后，取IOPL分散液滴在潔凈的硅片表面。然后將硅片置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，即可使一維納米材料分散在硅片上；
2、選取:在掃描電鏡下， 選定一根Ag納米線，使用納米操縱探針將其挑起并轉(zhuǎn)移到另一帶Ag電極的玻璃基底上，并放置在待焊接處；
3、焊接:使用兩根曲率半徑為500nm的鎢探針電極，其中一根壓在Ag納米線表面，另一根壓在該納米線附近的玻璃基底Ag導(dǎo)電層上，并施加-20~20V的正弦波電壓將Ag納米線焊接在玻璃基底上。
[0038]實施例4
1、分散:取Img直徑為300nm、平均長度約IOOMm的Zn納米線分散在IOml丙酮中，在功率為50mW的超聲波振蕩器中超聲振蕩30分鐘。在其分散均勻后，取ΙΟμ?、分散液滴在潔凈的硅片表面。然后將硅片置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，即可使一維納米材料分散在硅片上。
[0039]2、選取:在掃描電鏡下，選定一根Zn納米線，使用納米操縱探針將其挑起，轉(zhuǎn)移到另一帶Cu電極的有機玻璃基底上，并放置在待焊接處。
[0040]3、基焊接:使用兩根曲率半徑為300nm的鎢探針電極，其中一根壓在Zn納米線表面，另一壓在該Zn納米線附近的有機玻璃基底Cu導(dǎo)電層上，并施加-20~20V的鋸齒波電壓，將Zn納米線焊接在有機玻璃基底上。
[0041]實施例5
1、分散:取IOmg寬度為lOOOnm、平均長度約150Mm的ZnO納米帶分散在IOml乙醚中，在功率為80mW的超聲波振蕩器中超聲振蕩30分鐘。在其分散均勻后，取IOPL分散液滴在潔凈的硅片表面。然后將硅片置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，即可使一維納米材料分散在硅片上。
[0042]2、選取:在掃描電鏡下，選定一根ZnO納米帶，使用納米操縱探針將其挑起，轉(zhuǎn)移到另一帶Au電極的玻璃基底上，并放置在待焊接處。[0043]3、的焊接:使用兩根曲率半徑為200nm的鎢探針電極，其中一根壓在ZnO納米帶表面，另一根探針電極壓在該納米帶附近的玻璃基底Au導(dǎo)電層上，并施加-15~15V的線性電壓，將ZnO納米帶焊接在玻璃基底上。
[0044]實施例6
1、分散:取20mg直徑為80nm、平均長度約30Mm的Au納米線分散在2ml乙醚中，在功率為80mW的超聲波振蕩器中超聲振蕩30分鐘。在其分散均勻后，取IOPL Au納米線的分散液，滴在潔凈的硅片表面。然后將硅片置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，即可使一維納米材料分散在硅片上。
[0045]2、選取:在掃描電鏡下，選定一根直徑為80nm，平均長度30Mm的Au納米線，使用納米操縱探針將其挑起，轉(zhuǎn)移到另一帶Au電極的玻璃基底上，并放置在待焊接處。
[0046]3、焊接:使用兩根曲率半徑為500nm的鎢探針電極，其中一根壓在Au納米線表面，另一根探針電極壓在該納米線附近的玻璃基底Au導(dǎo)電層上，并施加-15~15V的線性電壓，將Au納米線焊接在玻璃基底上。
[0047]實施例7
1、分散:取IOmg直徑為200nm、平均長度約50Mm的In納米線分散在IOml異丙醇中，在功率為20mW的超聲波振蕩器中超聲振蕩30分鐘。在其分散均勻后，取5μ?分散液滴在潔凈的硅片表面。然后將硅片置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，即可使一維納米材料分散在硅片上。
[0048]2、選取:在掃描 電鏡下，選定一根直徑為200nm，平均長度50Mm的In納米線，使用納米操縱探針將其挑起，轉(zhuǎn)移到另一帶Cu電極的聚合物薄膜上，并放置在待焊接處。
[0049]3、焊接:使用兩根曲率半徑為200nm的鎢探針電極，其中一根壓在In納米線表面，另一根探針電極壓在該納米線附近的聚合物薄膜Cu導(dǎo)電層上，并施加-10~IOV的線性電壓，將In納米線焊接在聚合物薄膜上。
[0050]實施例8
1、分散:取IOmg直徑為500nm、平均長度約50Mm的Zn/ZnO納米電纜分散在IOml乙醇中，在功率為20mW的超聲波振蕩器中超聲振蕩30分鐘。在其分散均勻后，取5μ?分散液滴在潔凈的硅片表面。然后將硅片置于室溫中，待溶劑揮發(fā)完，即可使一維納米材料分散在硅片上。
[0051]2、選取:在掃描電鏡下，選定一根納米電纜，使用納米操縱探針將其挑起，轉(zhuǎn)移到另一帶Au電極的硅片上，并放置在待焊接處。
[0052]3、焊接:使用兩根曲率半徑為200nm的鎢探針電極，其中一根壓在Zn/ZnO納米電纜表面，另一根探針電極壓在該納米電纜附近的硅片基底Au導(dǎo)電層上，并施加-8~8V的線性電壓，將Zn/ZnO納米電纜焊接在硅片基底上。
[0053]上述實施例的描述是為便于該【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于電致發(fā)熱效應(yīng)的一維納米材料的焊接方法，其特征在于:通過探針電極施加一定波形和大小的電壓，將單根一維納米材料焊接在帶電極基底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于:所述一維納米材料是含金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、銦(In)、鋅(Zn)、氧化鋅(ZnO)、二氧化錫(SnO2)或二氧化鈦(TiO2)的納米線、納米帶、納米管或納米電纜；所述一維納米材料的直徑為10?lOOOnm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于:所述探針電極是指曲率半徑不大于500nm的鶴探針電極或銀探針電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于:所述帶電極基底是指在硅片、玻璃、導(dǎo)電玻璃、有機玻璃或及聚合物薄膜的表面經(jīng)蒸發(fā)、濺射或離子束沉積方法形成一層金(Au)、銀(Ag)或銅(Cu)電極薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于:所述電壓的波形是指線性、方波、正弦波、脈沖波、鋸齒波、階梯波；電壓的大小為-20 V?20V。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于:所述單根一維納米材料與帶電極基底之間的結(jié)合力大于50 nNo
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于:所述單根一維納米材料的選取包括如下步驟: (I)分散:將待焊接的一維納米材料經(jīng)超聲分散在溶劑中形成質(zhì)量比濃度為Wg/mL?10mg/mL的分散液,取分散液滴在潔凈的娃片表面；靜置后，娃片表面均勻分散了一維納米材料； (2 )選取:在掃描電鏡下，使用納米操縱探針選定一根一維納米材料并將其挑起轉(zhuǎn)移到帶電極基底上的待焊接處進行待焊接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊接方法，其特征在于:所述步驟(I)中超聲分散的功率為不小于10毫瓦，超聲分散時間為5?30分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊接方法，其特征在于:所述步驟(I)中溶劑為水、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚或異丙醇。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊接方法，其特征在于:所述步驟(I)中潔凈的硅片是指依次通過丙酮、乙醇的超聲清洗后再用98%的濃硫酸中浸泡，最后用去離子水漂洗3?5次所得。
【文檔編號】B23K11/16GK103624388SQ201310571335
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】金震 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院