CN103449359A - 一种微米/纳米尺度导电材料的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，包括以下操作：在显微观察下，分别将具有放电尖端的待焊接的导电材料夹持后，将焊接部位的放电尖端与放电尖端间距100～1000nm对准；将待焊接的导电材料分别连通直流电源的正负极，然后将放电尖端与放电尖端逐渐靠近；直流电源的正负极之间还设有限流电阻；在逐渐靠近时放电尖端之间发生放电，放电产生的热量熔化放电尖端，熔化后的放电尖端接触并融合，限流电阻被导通，焊接部位放电消失，待冷却之后，焊接完成。本发明的方法具有无污染，速度快，材料要求低，操作方便，焊接牢固，对材料损伤小的特点。

Description

一种微米/纳米尺度导电材料的焊接方法

技术领域

本发明属于小尺度材料焊接技术领域，具体涉及一种微米/纳米尺度导电材料的焊接方法。

背景技术

微米/纳米尺度材料的焊接，一直是微米/纳米尺度材料加工的一个热点，也是微米/纳米机械电子（MEMS/NEMS）器件自下而上(Bottom-up)组装过程中的重大难题。在微米/纳米机械电子（MEMS/NEMS）器件中，需要在材料间形成稳定的物理接触和电接触，而微米/纳米尺度材料的焊接技术可以满足以上条件。对于微米/纳米尺度材料的焊接需要满足速度快，精度高，接触牢固，材料损伤小，无污染，对材料要求低，成本低等要求。现有的应用于微米/纳米尺度材料焊接的技术都有自身的不足，难以达到以上所有要求，如离子束沉积，其沉积离子一般作为外来污染，并且对材料损伤较大，成本较高；冷焊接技术(Cold welding of ultrathin gold nanowires，Yang Lu，JianYu Huang等，NATURE NANOTECHNOLOGY，Nature Nanotechnology5，218-224(2010))，即利用分子扩散使材料实现焊接，但只对10nm以下的少数金属材料适用；自适应的等离子焊接（Self-limited plasmonic welding of silvernanowire junctions，Erik C.Garnett,Wenshan Cai等，Nature Materials11,241–249(2012))，采用卤素灯照射进行焊接，其焊接强度不高，并且只适用于少数材料；采用超声振动压焊（Ultrasonic nanowelding of carbon nanotubes tometal electrodes，Changxin Chen,Lijun Yan等，Nanotechnology17,2192–2197(2006)))，对于材料的损伤较大，且不能精确控制；采用探针加热进行焊接，由于探针的熔点限制，只适用于少数材料。

发明内容

本发明为了克服以上技术问题提供一种微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，能够实现微米/纳米导电材料的焊接，克服其他焊接方法中对焊接材料污染，损伤大，接触不牢,成本高等缺点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，包括以下操作：

1）在显微观察下，分别将具有放电尖端的待焊接的导电材料夹持后，将焊接部位的放电尖端与放电尖端间距100～1000nm对准；

2）将待焊接的导电材料分别连通直流电源的正负极，然后将放电尖端与放电尖端逐渐靠近；直流电源的正负极之间还设有限流电阻；

3）在逐渐靠近时放电尖端之间发生放电，放电产生的热量熔化放电尖端，熔化后的放电尖端接触并融合，限流电阻被导通，焊接部位放电消失，待冷却之后，焊接完成。

所述的放电尖端的曲率半径为50nm～10μm，直流电源的电压为1～60V。

所述的放电尖端的曲率半径、直流电源的电压的选择为：

$\left\{\begin{array}{c}15V/\mathrm{\&mu;m}<\frac{U}{R}<25V/\mathrm{\&mu;m}(R<0.5\mathrm{\&mu;m})\\ U=D\&times;2V/\mathrm{\&mu;m}+11(0.5\mathrm{\&mu;m}<D<10\mathrm{\&mu;m})\end{array}\right.$

其中，U为直流电源的电压，R为放电尖端的曲率半径。

所述在焊接时，待焊接的导电材料通过纳米操纵手夹持，放电尖端悬空。

所述当放电产生的热量熔化放电尖端时，放电尖端之间的范德华力和静电力会促使熔融态的放电尖端融合。

所述将具有放电尖端的待焊接的导电材料夹持后，放置在真空环境中对准，通电后进行焊接。

所述的导电材料为金属或半导体。

所述的待焊接的导电材料为同种或异种金属之间的焊接，或者为金属与半导体之间的焊接。

所述的待焊接的导电材料通过纳米操纵手夹持，其位移精度小于100nm。

所述的显微观察是由放大倍数大于2000倍的显微镜来提供。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，通过导电材料的放电尖端间距一定的距离，再在两端施加一定的电压，当放电尖端与放电尖端逐渐靠近时，放电尖端之间发生放电，放电产生的热量熔化放电尖端，熔化后的放电尖端的范德华力和静电力会促使熔融态的放电尖端融合，最终待焊接的放电尖端连为一体，待其凝固后焊接完成。从而避免了其他方法可能存在的污染，而且对材料要求不高，可以为同种或异种金属之间的焊接，或者为金属与半导体之间的焊接；由于是放电尖端之间的融合，所以对焊接部位损伤小，而且经过融合、凝固之后焊接接触更加牢固。

附图说明

图1为本发明采用的焊接、显微观察的装置的结构示意图；

图2为本发明提供的焊接微米/纳米尺度金属材料的装置的结构示意图中的焊接过程局部放大图；

图3a～3b为本发明提供的焊接微米/纳米尺度金属材料的方法在扫描电子显微镜下观察到的焊接过程；其中，图3a为焊接前的结构示意图，图3b为焊接后的结构示意图。

其中，1为外置电压源及限流电阻，2为扫描电子显微镜，3为样品台，4为移动夹持部件，5为金属材料，6为真空腔。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供的一种微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，包括以下操作：

1）在显微观察下，分别将具有放电尖端的待焊接的导电材料夹持后，将焊接部位的放电尖端与放电尖端间距100～1000nm对准；

2）将待焊接的导电材料分别连通直流电源的正负极，然后将放电尖端与放电尖端逐渐靠近；直流电源的正负极之间还设有限流电阻；

3）在逐渐靠近时放电尖端之间发生放电，放电产生的热量熔化放电尖端，熔化后的放电尖端接触并融合，限流电阻被导通，焊接部位放电消失，待冷却之后，焊接完成。

具体的，所述的放电尖端的曲率半径为50nm～10μm，直流电源的电压为1～30V。

在焊接时，待焊接的导电材料通过纳米操纵手夹持，放电尖端悬空。

当放电产生的热量熔化放电尖端时，放电尖端之间的范德华力和静电力会促使熔融态的放电尖端融合。

将具有放电尖端的待焊接的导电材料夹持后，放置在真空环境中对准，通电后进行焊接。

所述的导电材料为金属或半导体，比如所述的待焊接的导电材料为同种或异种金属之间的焊接，或者为金属与半导体之间的焊接。

而所述的显微观察是由放大倍数大于2000倍的显微镜来提供。

参见图1、图2，本发明采用的焊接、显微观察的装置，包括真空腔6，所述的真空腔6上端设有插入到真空腔6内部的扫描电子显微镜2，真空腔6内中部设置有夹持尖端曲率半径小于10μm的金属材料的移动夹持部件4与扫描电子显微镜2配套的样品台3，所述的移动夹持部件4包括夹持金属材料的Kleindiek纳米操纵手或位移精度小于100nm的移动平台，实现微米/纳米尺度材料之间保持较小的间隙和准确接触；外置电压源及限流电阻1通过屏蔽线和法兰口分别与移动夹持部件4和样品台3相连。其中，所述的外置电压源为Keithley2602数字源表；外置电压源的正极通过屏蔽线和法兰口与移动夹持部件4相连，外置电压源的负极通过屏蔽线和法兰口与样品台3相连。所述的扫描电子显微镜2的放大倍数大于2000倍，用来监测微米/纳米尺度材料的移动和焊接过程。

具体的，一端采用Kleindiek纳米操纵手夹持熔点较高的金属钨针，控制样品台和纳米操纵手，使尖端曲率半径为200nm的金属钨针尖相对，并保持较小的间距，如200nm。需要说明的是，也可以使用其他金属材料或导电材料的纳米线、纳米管，同时应用环境为真空，这样可以避免大气中粉尘等对材料本身的污染同时便于显微观察。

下面结合上述的装置来提供钨针与钨针之间的焊接的实施例，包括以下步骤：

1）将一根尖端曲率半径为200nm的钨针用银胶固定在金属样品台3上，实现导电材料与样品台间良好电接触，注意使针尖悬空；

2）用纳米操纵手夹持另一根钨针，需保证实现操纵手与钨针间的电接触，即电压信号可通过操纵手传导到钨针上；

3）连接外置电压源，将电压源正极与纳米操纵手相连，将电压源负极与样品台3相连，将电压信号通过纳米操纵手和样品台3加到两钨针5上，此处对于电源正负极没有具体要求。

4）使用扫描电子显微镜2观察，移动操纵手和样品台3，使两钨针5针尖相对，间距为200nm。

5）打开电压源，针对尖端曲率半径为200nm的钨针，可在两针尖间加持3V电压；

6）其具体实验系统如附图1所示。

7）控制纳米操纵手，用纳米操纵手上钨针针尖接触样品台上的钨针针尖；

8）两针尖靠近过程中，针尖会发生放电，产生适当的热量熔化针尖，针尖之间的范德华力和静电力会促使熔融态的钨融合，完成焊接，如附图2所示。

此过程是由范德华力，静电力和表面张力共同作用诱发的，电压过大时会由于表面张力的作用而导致不能焊接成功。例如，对于尖端曲率半径为200nm的钨针，当电压高于5V时，两端的金属材料可能在放电熔化后向后在尖端缩成两个小球，当电压低于3V时，才会焊接连为一体，而当电压过低时，可能放电不会发生，为保证放电的发生和焊接成功，提供以下电压区间经验公式。

经验公式为： $\left\{\begin{array}{c}15V/\mathrm{\&mu;m}<\frac{U}{R}<25V/\mathrm{\&mu;m}(R<0.5\mathrm{\&mu;m})\\ U=D\&times;2V/\mathrm{\&mu;m}+11(0.5\mathrm{\&mu;m}<D<10\mathrm{\&mu;m})\end{array}\right.$

其中，U为直流电源的电压（放电尖端之间施加的电压），R为放电尖端的曲率半径。

图3a～3b为本发明提供的焊接微米/纳米尺度金属材料的方法在扫描电子显微镜下观察到的焊接过程；其中，图3a为焊接前的结构示意图，图3b为焊接后的结构示意图，可以明显看到被焊接的两个金属材料的放电尖端被焊接在一起。

在采用显微观察时，焊接时两金属材料距离较近，如200nm后才打开电压源加电压信号，可降低电压信号对电子显微成像的影响。同时，利用放电过程中的热量致使两端的金属材料熔化，并利用材料之间的作用力进行焊接，实现微米/纳米尺度金属材料及其他导电材料的焊接，避免其他方法有污染，材料要求高，损伤大，接触不牢等缺点。

Claims (10)

1.一种微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，包括以下操作：

1）在显微观察下，分别将具有放电尖端的待焊接的导电材料夹持后，将焊接部位的放电尖端与放电尖端间距100～1000nm对准；

2）将待焊接的导电材料分别连通直流电源的正负极，然后将放电尖端与放电尖端逐渐靠近；直流电源的正负极之间还设有限流电阻；

3）在逐渐靠近时放电尖端之间发生放电，放电产生的热量熔化放电尖端，熔化后的放电尖端接触并融合，限流电阻被导通，焊接部位放电消失，待冷却之后，焊接完成。

2.如权利要求1所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，所述的放电尖端的曲率半径为50nm～10μm，直流电源的电压为1～60V。

3.如权利要求1或2所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，所述的放电尖端的曲率半径、直流电源的电压的选择为：

$\left\{\begin{array}{c}15V/\mathrm{\&mu;m}<\frac{U}{R}<25V/\mathrm{\&mu;m}(R<0.5\mathrm{\&mu;m})\\ U=D\&times;2V/\mathrm{\&mu;m}+11(0.5\mathrm{\&mu;m}<D<10\mathrm{\&mu;m})\end{array}\right.;$

其中，U为直流电源的电压，R为放电尖端的曲率半径。

4.如权利要求1所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，在焊接时，待焊接的导电材料通过纳米操纵手夹持，放电尖端悬空。

5.如权利要求1所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，当放电产生的热量熔化放电尖端时，放电尖端之间的范德华力和静电力会促使熔融态的放电尖端融合。

6.如权利要求1所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，将具有放电尖端的待焊接的导电材料夹持后，放置在真空环境中对准，通电后进行焊接。

7.如权利要求1所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，所述的导电材料为金属或半导体。

8.如权利要求1所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，所述的待焊接的导电材料为同种或异种金属之间的焊接，或者为金属与半导体之间的焊接。

9.如权利要求1所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，所述的待焊接的导电材料通过纳米操纵手夹持，其位移精度小于100nm。

10.如权利要求1所述的微米/纳米尺度导电材料的焊接方法，其特征在于，所述的显微观察是由放大倍数大于2000倍的显微镜来提供。

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