CN102363240B - 电阻焊连接碳纳米管与金属的方法 - Google Patents
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Abstract
电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,它涉及碳纳米管与金属连接方法。本发明要解决现有连接碳纳米管与金属方法存在连接效率低和控制难度大的技术问题。本发明方法:一、导电基板抛光;二、导电基板吸附碳纳米管;三、金属丝的待焊端腐蚀;四、电阻焊;完成碳纳米管与金属的连接。本发明在连接过程中只需要控制相对容易控制得多的金属丝和导电基板,克服了碳纳米管连接技术中控制困难的问题。金属丝与碳纳米管相互靠近时,由于金属丝端部的曲率极大,产生很强的电场,于是电场力克服碳纳米管与基板之间的吸附力,使碳纳米管向金属丝的方向伸出并与达到能与金属丝接触的水平,从而提高了连接效率。
Description
技术领域
本发明涉及碳纳米管与金属连接方法。
背景技术
碳纳米管材料自从1991年被日本科学家饭岛发现以来,一直倍受广大研究工作者的关注。因其具有奇特的电磁学性能、力学性能和化学性能,其在传感器、复合材料、超级电容器等各个领域均已相对于传统材料表现出了优异的性能,体现出了自身独特的价值。
在微电子电路的微连接领域中,因其特殊的电子能带结构,波失被限定于轴向,量子效应非常明显,研究发现单壁碳纳米管可以作为真正的量子导线,而金属性碳纳米管的导电能力比金属界导电能力数一数二的铜还要高出两个数量级。然而,就目前的研究工作来看,将碳纳米管作为量子导线应用于微电子电路中,最主要的困难就是实现碳纳米管与金属之间高效可靠的连接。
因为碳纳米管是一维纳米材料,所以很多普通的宏观焊接方法,如电弧焊、钎焊等很难在碳纳米管的连接上得到应用。
从现有的技术文献来看,碳纳米管连接方法往往都需要用到纳米级精巧的操控装置来对单根的碳纳米管进行转移,转向以及将两根碳纳米管进行对准。然而这本身就存在两个重要问题,一方面是连接效率低,每次只能实现一对碳纳米管的连接,另一方面是技术难度大,连接条件要求苛刻,因此也就必然导致连接成本高。
发明内容
本发明要解决现有连接碳纳米管与金属方法存在连接效率低和控制难度大的技术问题;而提供了电阻焊连接碳纳米管与金属的方法。
本发明电阻焊连接碳纳米管与金属的方法是按下述步骤进行的:
步骤一、将导电基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂纸上进行逐级抛光(一是去掉氧化膜,增加其与碳纳米管的亲和性,二是改善表面光洁度,增大其与碳纳米管的接触面积,利于牢固地将碳纳米管吸附在基板上);
步骤二、将经抛光处理的导电基板放入容器中,其中抛光面向上,然后向容器中倒入溶剂A,再加入碳纳米管,超声分散,静置至溶剂A完全挥发(碳纳米管可以均匀并比较稳定地平铺在导电基板的表面),再超声清洗(洗掉吸附不牢固的碳纳米管)后取出;
步骤三、将金属丝的待焊端竖直向下伸入腐蚀液的液面下2~3毫米后固定,然后静置,待金属丝端部脱离腐蚀液表面,取下金属丝(金属丝的端部区域微观成针状),其中所述金属丝的直径为20~25μm;
步骤四、将步骤二处理的导电基板用导电胶固定在电阻焊机的阴极上,同时将经步骤三处理的金属丝用导电胶固定在电阻焊机的阳极上,导电基板吸附有碳纳米管的一侧向上,金属丝的待焊端向下,然后向电阻焊机通入保护介质后再控制金属丝向碳纳米管靠近(或者直接控制金属丝向碳纳米管靠近),并加以80~100V的电压,打火后金属丝回退,然后放在溶剂B中用80~90W超声进行清洗30~60min;即实现了碳纳米管与金属的连接。
本发明的步骤二还可按下述步骤进行:将碳纳米管加入溶剂A后超声分散,然后逐滴滴在经抛光处理的导电基板的抛光面上,干燥至溶剂完全挥发。
本发明采用将大量碳纳米管物理吸附在导电基板上来作为碳纳米管源的方法,在接过程中只需要控制相对容易控制得多的金属丝和导电基板,克服了碳纳米管连接技术中控制困难的问题;同时,在金属丝(阳极)与碳纳米管(阴极)相互靠近时,由于金属丝端部的曲率极大,产生很强的电场,于是电场力克服碳纳米管与基板之间的吸附力,使碳纳米管向金属丝的方向伸出并与达到能与金属丝接触的水平,进一步降低了金属丝与导电基板之间距离的要求,从而提高了连接效率。
附图说明
图1是具体实施方式十九的碳纳米管在金丝端部连接的电镜扫描图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式,还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一:本实施方式中电阻焊连接碳纳米管与金属的方法是按下述步骤进行的:
步骤一、将导电基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂纸上进行逐级抛光;
步骤二、将经抛光处理的导电基板放入容器中,其中抛光面向上,然后向容器中倒入溶剂A,再加入碳纳米管,超声分散,静置至溶剂A完全挥发,再超声清洗后取出;
步骤三、将金属丝的待焊端竖直向下伸入腐蚀液的液面下2~3毫米后固定,然后静置,待金属丝端部脱离腐蚀液表面,取下金属丝,其中所述金属丝的直径为20~25μm;
步骤四、将步骤二处理的导电基板用导电胶固定在电阻焊机的阴极上,同时将经步骤三处理的金属丝用导电胶固定在电阻焊机的阳极上,导电基板吸附有碳纳米管的一侧向上,金属丝的待焊端向下,然后向电阻焊机通入保护介质后再控制金属丝向碳纳米管靠近(或者直接控制金属丝向碳纳米管靠近),并加以80~100V的电压,打火后金属丝回退,然后放在溶剂B中用80~90W超声进行清洗30~60min;即实现了碳纳米管与金属的连接。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一所述导电基板的材料为金、银或铜。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:步骤二所述溶剂A为十二烷基硫酸钠的去离子水溶液或者丙酮。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤二超声分散所用的功率为100~120W,超声分散耗时为2~3h。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤二超声清洗所用的功率为80~90W,超声清洗耗时为30~60min。其它步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤三所述的金属丝为金丝或铜丝。其它步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是:步骤三所述腐蚀液是王水。其它步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤四所述保护介质是煤油。其它步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤四所述溶剂B为丙酮。其它步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式中电阻焊连接碳纳米管与金属的方法是按下述步骤进行的:
步骤一、将导电基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂纸上进行逐级抛光;
步骤二、将碳纳米管加入溶剂A后超声分散,然后逐滴滴在经抛光处理的导电基板的抛光面上,干燥至溶剂完全挥发;
步骤三、将金属丝的待焊端竖直向下伸入腐蚀液的液面下2~3毫米后固定,然后静置,待金属丝端部脱离腐蚀液表面,取下金属丝,其中所述金属丝的直径为20~25μm;
步骤四、将步骤二处理的导电基板用导电胶固定在电阻焊机的阴极上,同时将经步骤三处理的金属丝用导电胶固定在电阻焊机的阳极上,导电基板吸附有碳纳米管的一侧向上,金属丝的待焊端向下,然后向电阻焊机通入保护介质后再控制金属丝向碳纳米管靠近或者直接控制金属丝向碳纳米管靠近,并加以80~100V的电压,打火后金属丝回退,然后放在溶剂B中用80~90W超声进行清洗30~60min;即实现了碳纳米管与金属的连接。
具体实施方式十一:本实施方式与具体实施方式十不同的是:步骤一所述导电基板的材料银或铜。其它步骤和参数与具体实施方式十相同。
具体实施方式十二:本实施方式与具体实施方式十或十一不同的是:步骤二所述溶剂A为十二烷基硫酸钠的去离子水溶液或者丙酮。其它步骤和参数与具体实施方式十或十一相同。
具体实施方式十三:本实施方式与具体实施方式十至十二之一不同的是:步骤二超声分散所用的功率为100~120W,超声分散耗时为2~3h。其它步骤和参数与具体实施方式十至十二之一相同。
具体实施方式十四:本实施方式与具体实施方式十至十三之一不同的是:步骤二超声清洗所用的功率为80~90W,超声清洗耗时为30~60min。其它步骤和参数与具体实施方式十至十三之一相同。
具体实施方式十五:本实施方式与具体实施方式十至十四之一不同的是:步骤三所述的金属丝为金丝或铜丝。其它步骤和参数与具体实施方式十至十四之一相同。
具体实施方式十六:本实施方式与具体实施方式十至十五之一不同的是:步骤三所述腐蚀液是王水。其它步骤和参数与具体实施方式十至十五之一相同。
具体实施方式十七:本实施方式与具体实施方式十至十六之一不同的是:步骤四所述保护介质是煤油。其它步骤和参数与具体实施方式十至十六之一相同。
具体实施方式十八:本实施方式与具体实施方式十至十七之一不同的是:步骤四所述溶剂B为丙酮。其它步骤和参数与具体实施方式十至十七之一相同。
具体实施方式十九:本实施方式中电阻焊连接碳纳米管与金属的方法是按下述步骤进行的:
步骤一、将铜片的一面在800#、2000#和3000#金相砂纸上进行逐级抛光(一是去掉氧化膜,增加其与碳纳米管的亲和性,二是改善表面光洁度,增大其与碳纳米管的接触面积,利于牢固地将碳纳米管吸附在基板上);
步骤二、将经抛光处理的铜片放入容器中,其中抛光面向上,然后向容器中倒入一厘米高的丙酮中,再加入3mg碳纳米管,在100瓦条件下超声分散60min,静置至溶剂A完全挥发(此时碳纳米管可以均匀并比较稳定地平铺在铜片表面),再超声清洗(洗掉吸附不牢固的碳纳米管)后取出;
步骤三、将金丝的待焊端竖直向下伸入腐蚀液的液面下2.5毫米后固定,然后静置,待金丝端部脱离腐蚀液表面,取下金丝(金丝的端部区域微观成针状),其中所述金丝的直径为20μm;
步骤四、将步骤二处理的铜片用导电胶固定在电阻焊机的阴极上,同时将经步骤三处理的金丝用导电胶固定在电阻焊机的阳极上,铜片吸附有碳纳米管的一侧向上,金丝的待焊端向下,然后向电阻焊机通入保护介质后再控制金丝向碳纳米管靠近,并加以100V的电压,打火后金丝回退,然后放在溶剂B中用80W超声进行清洗60min;即实现了碳纳米管与金属的连接。
碳纳米管在金丝端部的连接如图1所示,由图1可知碳纳米管与金丝稳固的连接在一起。
具体实施方式二十:本实施方式与具体实施方式十九不同的是:步骤二采用质量浓度为1%十二烷基硫酸钠的去离子水溶液代替丙酮,碳纳米管用量为1mg。其它步骤和参数与具体实施方式十九相同。
具体实施方式二十一:本实施方式与具体实施方式十九不同的是:步骤四中将步骤二处理的铜片用导电胶固定在电阻焊机的阴极上,同时将经步骤三处理的金丝用导电胶固定在电阻焊机的阳极上,铜片吸附有碳纳米管的一侧向上,金丝的待焊端向下,直接控制金丝向碳纳米管靠近,并加以100V的电压,打火后金丝回退,然后放在溶剂B中用90W超声进行清洗30min;即实现了碳纳米管与金属的连接。其它步骤和参数与具体实施方式十九相同。
本实施方式的连接成功率有所提高,出现多根碳纳米管同时连接到金丝的现象。
具体实施方式二十二:本实施方式与具体实施方式十九不同的是:步骤三用铜丝替换金丝。其它步骤和参数与具体实施方式十九相同。
具体实施方式二十三:本实施方式与具体实施方式十九不同的是:步骤一用铝片替换铜片。其它步骤和参数与具体实施方式十九相同。
具体实施方式二十四:本实施方式中电阻焊连接碳纳米管与金属的方法是按下述步骤进行的:
步骤一、将铜片的一面在800#、2000#和3000#金相砂纸上进行逐级抛光(一是去掉氧化膜,增加其与碳纳米管的亲和性,二是改善表面光洁度,增大其与碳纳米管的接触面积,利于牢固地将碳纳米管吸附在基板上);
步骤二、将碳纳米管加入溶剂A后在超声功率为99瓦条件下下超声分散1小时,然后逐滴滴在经抛光处理的导电基板的抛光面上,在80℃条件下干燥至溶剂完全挥发;
步骤三、将金丝的待焊端竖直向下伸入腐蚀液的液面下2.5毫米后固定,然后静置,待金丝端部脱离腐蚀液表面,取下金丝(金丝的端部区域微观成针状),其中所述金丝的直径为20μm;
步骤四、将步骤二处理的铜片用导电胶固定在电阻焊机的阴极上,同时将经步骤三处理的金丝用导电胶固定在电阻焊机的阳极上,铜片吸附有碳纳米管的一侧向上,金丝的待焊端向下,然后向电阻焊机通入保护介质后再控制金丝向碳纳米管靠近,并加以100V的电压,打火后金丝回退,然后放在溶剂B中用80W超声进行清洗60min;即实现了碳纳米管与金属的连接。
Claims (10)
1.电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于电阻焊连接碳纳米管与金属的方法是按下述步骤进行的:
步骤一、将导电基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂纸上进行逐级抛光;
步骤二、将经抛光处理的导电基板放入容器中,其中抛光面向上,然后向容器中倒入溶剂A,再加入碳纳米管,超声分散,静置至溶剂A完全挥发,再超声清洗后取出;
步骤三、将金属丝的待焊端竖直向下伸入腐蚀液的液面下2~3毫米后固定,然后静置,待金属丝端部脱离腐蚀液表面,取下金属丝,其中所述金属丝的直径为20~25μm;
步骤四、将步骤二处理的导电基板用导电胶固定在电阻焊机的阴极上,同时将经步骤三处理的金属丝用导电胶固定在电阻焊机的阳极上,导电基板吸附有碳纳米管的一侧向上,金属丝的待焊端向下,然后向电阻焊机通入保护介质后再控制金属丝向碳纳米管靠近或者直接控制金属丝向碳纳米管靠近,并加以80~100V的电压,打火后金属丝回退,然后放在溶剂B中用80~90W超声进行清洗30~60min;即实现了碳纳米管与金属的连接。
2.根据权利要求1所述的电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于步骤一所述导电基板的材料为金、银或铜。
3.根据权利要求2所述的电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于步骤二所述溶剂A为十二烷基硫酸钠的去离子水溶液或者丙酮。
4.根据权利要求3所述的电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于步骤二超声分散所用的功率为100~120W,超声分散耗时为2~3h。
5.根据权利要求4所述的电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于步骤二超声清洗所用的功率为80~90W,超声清洗耗时为30~60min。
6.根据权利要求5所述的电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于步骤三所述的金属丝为金丝或铜丝。
7.根据权利要求6所述的电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于步骤三所述腐蚀液是王水。
8.根据权利要求1-7中任一项权利要求所述的电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于步骤四所述保护介质是煤油。
9.根据权利要求8所述的电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于步骤四所述溶剂B为丙酮。
10.电阻焊连接碳纳米管与金属的方法,其特征在于电阻焊连接碳纳米管与金属的方法是按下述步骤进行的:
步骤一、将导电基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂纸上进行逐级抛光;
步骤二、将碳纳米管加入溶剂A后超声分散,然后逐滴滴在经抛光处理的导电基板的抛光面上,干燥至溶剂完全挥发;
步骤三、将金属丝的待焊端竖直向下伸入腐蚀液的液面下2~3毫米后固定,然后静置,待金属丝端部脱离腐蚀液表面,取下金属丝,其中所述金属丝的直径为20~25μm;
步骤四、将步骤二处理的导电基板用导电胶固定在电阻焊机的阴极上,同时将经步骤三处理的金属丝用导电胶固定在电阻焊机的阳极上,导电基板吸附有碳纳米管的一侧向上,金属丝的待焊端向下,然后向电阻焊机通入保护介质后再控制金属丝向碳纳米管靠近或者直接控制金属丝向碳纳米管靠近,并加以80~100V的电压,打火后金属丝回退,然后放在溶剂B中用80~90W超声进行清洗30~60min;即实现了碳纳米管与金属的连接。
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