CN105149781A - 一种基于光热效应的单点纳米焊接方法 - Google Patents

一种基于光热效应的单点纳米焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，现有关于纳米焊接的发明与研究多是基于大规模纳米线网络。本发明利用连续激光器输出单色激光，再通过光束衰减器调节单色激光的入射功率，然后用快门控制单色激光通过时间；再然后单色激光经四分之一玻片后由线偏光转换为圆偏光，再经光学显微镜内的分束镜反射后进入显微物镜，然后聚焦在金属纳米元件待照射位置上，金属纳米元件受激发由于表面等离激元特性产生光热效应，发生熔化或焊接过程。本发明能够快速、非接触地进行纳米元件的组装，不仅可以灵活控制焊接的位置，而且对于基底的损伤性也较小，大大提升了在微纳加工领域的结构可拓展性。

Description

一种基于光热效应的单点纳米焊接方法
技术领域
本发明属于微纳米加工技术领域，具体涉及一种基于光热效应的微纳米焊接方法。
背景技术
在微纳加工领域，随着先进制造技术的进步以及分析工具的革新，纳米材料的形貌变化，尤其是焊接现象，催生出一系列新兴应用，比如透明导体电极、薄膜太阳能电池、纳米催化剂、癌症治疗、纳米图形化技术等。
最近，E.Garnett等人提出了利用卤钨灯照射银纳米线可以在纳米线相互交叉地方产生自限制的焊接，而这种焊接又能极大地提升透明导体电极的性能(美国专利号US2014/0090870A1)。这无疑为大规模地生产高性能导体电极提供了一种简单可行的方法。这之后，研究人员们采用了各种方法来实现纳米线结区的焊接，比较典型的有热板加热法、机械压力法、吸附导体材料法、银离子化学反应法、光诱导法等等。这些方法在处理大规模纳米线网络的时候很有效，不过很少能够用于基于纳米线的电子和光子器件。因为这些器件通常独立地用于一些空间比较有限的场合，对于纳米尺度的操控要求很高。
另一方面，研究人员发现电焦耳热也可以用来连接纳米材料(专利申请号201310561021.6)。这种方法通常对于支撑结构的基底等会带来热损伤，而且该方法要求先进的设备来直接接触纳米线，可能对于目标结构附近的纳米结构带来机械损伤。
综上所述，目前没有一种简单、直接、可控的方法针对纳米材料实现单点焊接。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺点和不足，利用纳米金属材料表面等离激元特性，提出了一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，同时利用这种方法还可以创造性地制备出新型纳米复合结构。
本发明的技术方案如下：
一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，具体如下：利用连续激光器输出单色激光，再通过光束衰减器调节单色激光的入射功率，然后用快门控制单色激光通过时间；再然后单色激光经四分之一玻片后由线偏光转换为圆偏光，再经光学显微镜内的分束镜反射后进入显微物镜，然后聚焦在金属纳米元件待照射位置上，金属纳米元件受激发由于表面等离激元特性产生光热效应，发生熔化或焊接过程。
所述的金属纳米元件待照射位置处于待焊接位置附近，具体的待照射位置与待焊接位置的距离范围在50纳米-1500纳米。
所述的连续激光器输出单色激光的工作波长为单个波长，范围为400纳米-1500纳米。
在单色激光经过显微物镜聚焦照射在金属纳米元件之前，需要先调节单色激光照射在金属纳米元件上的有效功率，具体的：在显物镜和金属纳米元件之间设置旋转镜，将经过显微物镜聚焦的单由色激光旋转镜反射至功率计，再调节光束衰减器使得功率计显示的有效功率范围在100毫瓦-300毫瓦；然后撤掉旋转镜，使得单色激光照射在金属纳米元件上。
所述的快门控制激光通过的时间范围为0.1秒-1秒，通过调节显微物镜和金属纳米元件之间的距离使得聚焦在金属纳米元件上的光斑束腰半径范围为0.1微米-1微米。
所述的分束镜的另一侧设置有显微镜透镜组，显微镜透镜组上端设置有CCD，CCD用于显示传感器获取的纳米结构图。所述的金属纳米元件的形状为线状、颗粒状、带状或片状，优选为线状；
所述的金属纳米元件设置在基底层上，且基底层的熔点高于金属纳米元件熔化时的熔点。
所述的纳米焊接过程，其原理在于金属纳米线受光照后发生局域表面等离激元共振，产生强的光热效应，光斑中心的位置决定了金属纳米线表面峰值温度的位置，当峰值温度接近金属纳米线熔点时，金属纳米线发生表面熔化；同时由于温度梯度的作用，熔化了的部分纳米金属在金属纳米线与线之间重新凝固，而形成了可以被观察到的焊接现象。
本发明提出的基于光热效应的单点纳米焊接技术，主要应用方面如下：(1)纳米焊接技术对提升纳米器件光学性能和机械性能具有很大的潜力，比如通过纳米焊接可以提升金属纳米线路由器的耦合效率；(2)利用激光的直写特性可以在避免对周围纳米结构破坏的同时对纳米元件进行组装，提升了操控能力，可以进一步构建更复杂的纳米复合结构。
本发明有益效果如下：
激光焊接快速，非接触式，可以灵活控制焊接的位置，而且对于基底的损伤性较小。本发明中提出的局域光热效应是以银纳米线为支撑，具有很大的可替代性。即同样的方法适用于纳米棒、纳米片等其他结构，具有焊接复杂纳米结构的潜力。尤其是对同一个相似结构(比如直径、长度差不多的纳米线)上引入不同空间分布的热源可以产生丰富的热致形变结构或表面熔化结果，具有很高的拓展性，而焊接过程本身又提升了纳米结构的光学性能和机械性能。
附图说明
图1为本发明基于光热效应的单点纳米焊接系统装置示意图；
图2为实施例所述Y型结构纳米焊接结果的扫描电子显微镜图；
图3为实施例所述X型结构纳米焊接结果的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明：本实施方式案例以本发明提出的基于光热效应的单点纳米焊接技术为前提，但本发明的保护范围并不限于下述实施方式与案例。
如图1所示，一种基于光热效应的单点纳米焊接方法使用的装置包括单色连续激光、光衰减器、快门、四分之一玻片、显微镜、样品台和功率计。具体的焊接方法如下：利用连续激光器输出单色激光，再通过光束衰减器调节单色激光的入射功率，然后用快门控制单色激光通过时间；再然后单色激光经四分之一玻片后由线偏光转换为圆偏光，再经光学显微镜内的分束镜反射后进入显微物镜，然后聚焦在金属纳米元件待照射位置上，金属纳米元件受激发由于表面等离激元特性产生光热效应，发生熔化或焊接过程。
所述的金属纳米元件待照射位置处于待焊接位置附近，具体的待照射位置与待焊接位置的距离范围在50纳米-1500纳米。
所述的连续激光器输出单色激光的工作波长为单个波长，范围为400纳米-1500纳米。
在单色激光经过显微物镜聚焦照射在金属纳米元件之前，需要先调节单色激光照射在金属纳米元件上的有效功率，具体的：在显物镜和金属纳米元件之间设置旋转镜，将经过显微物镜聚焦的单由色激光旋转镜反射至功率计，再调节光束衰减器使得功率计显示的有效功率范围在100毫瓦-300毫瓦；然后撤掉旋转镜，使得单色激光照射在金属纳米元件上。
所述的快门控制激光通过的时间范围为0.1秒-1秒，通过调节显微物镜和金属纳米元件之间的距离使得聚焦在金属纳米元件上的光斑束腰半径范围为0.1微米-1微米。
所述的分束镜的另一侧设置有显微镜透镜组，显微镜透镜组上端设置有CCD，CCD用于显示传感器获取的纳米结构图。所述的金属纳米元件的形状为线状、颗粒状、带状或片状，优选为线状；
所述的金属纳米元件设置在基底层上，且基底层的熔点高于金属纳米元件熔化时的熔点。
所述的纳米焊接过程，其原理在于金属纳米线受光照后发生局域表面等离激元共振，产生强的光热效应，光斑中心的位置决定了金属纳米线表面峰值温度的位置，当峰值温度接近金属纳米线熔点时，金属纳米线发生表面熔化；同时由于温度梯度的作用，熔化了的部分纳米金属在金属纳米线与线之间重新凝固，而形成了可以被观察到的焊接现象。
如图2所示，所述Y型结构纳米焊接结果与光斑中心的位置密切相关。图2中左下小圆圈表示光斑中心(待照射位置)位置。图2的(a)中，当光斑中心与接触点(待焊接位置)重合时，纳米线没有发生焊接，而是发生了一根纳米线末端收缩的现象。但是当光斑中心偏离接触点一个束腰左右距离时，则可以成功地将纳米线焊在一起，见图2的(b)。
如图3所示，所述X型结构纳米焊接结果与光斑中心的位置密切相关。在入射功率为160毫瓦的时候，光斑中心的不同位置也能导致不同的实验结果。图3中白色的小圆圈表示光斑中心位置。当与交叉点(待焊接位置)重合时，由于光热效应较强导致纳米线温度超过熔点发生损伤(图3的(a))；当光斑中心(待照射位置)距离交叉点为440纳米或者750纳米时，成功地发生纳米焊接(图3的(b)和(c))。

Claims (9)

1.一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于利用连续激光器输出单色激光，再通过光束衰减器调节单色激光的入射功率，然后用快门控制单色激光通过时间；再然后单色激光经四分之一玻片后由线偏光转换为圆偏光，再经光学显微镜内的分束镜反射后进入显微物镜，然后聚焦在金属纳米元件待照射位置上，金属纳米元件受激发由于表面等离激元特性产生光热效应，发生熔化或焊接过程。
2.如权利要求1所述的一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于所述的金属纳米元件待照射位置处于待焊接位置附近，具体的待照射位置与待焊接位置的距离范围在50纳米-1500纳米。
3.如权利要求1所述的一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于所述的连续激光器输出单色激光的工作波长为单个波长，范围为400纳米-1500纳米。
4.如权利要求1所述的一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于在单色激光经过显微物镜聚焦照射在金属纳米元件之前，需要先调节单色激光照射在金属纳米元件上的有效功率，具体的：在显物镜和金属纳米元件之间设置旋转镜，将经过显微物镜聚焦的单由色激光旋转镜反射至功率计，再调节光束衰减器使得功率计显示的有效功率范围在100毫瓦-300毫瓦；然后撤掉旋转镜，使得单色激光照射在金属纳米元件上。
5.如权利要求1所述的一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于所述的快门控制激光通过的时间范围为0.1秒-1秒，通过调节显物镜和金属纳米元件之间的距离使得聚焦在金属纳米元件上的光斑束腰半径范围为0.1微米-1微米。
6.如权利要求1所述的一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于所述的分束镜的另一侧设置有显微镜透镜组，显微镜透镜组上端设置有CCD，CCD用于显示传感器获取的纳米结构图。
7.如权利要求1所述的一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于所述的金属纳米元件的形状为线状、颗粒状、带状或片状。
8.如权利要求7所述的一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于所述的金属纳米元件的形状为线状。
9.如权利要求1所述的一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，其特征在于所述的金属纳米元件设置在基底层上，且基底层的熔点高于金属纳米元件熔化时的熔点。
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