CN105772938A - 一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法。本发明主要部分在于纳米线受激发产生光热效应形成球形纳米结构,并将该球形纳米结构作为焊料包裹住待焊接的纳米元件，从而在避免待焊接的纳米元件结构破坏的前提下实现焊接。本发明引入纳米焊料，焊料受到激光熔断之后会形成一定的纳米球结构，包裹住待焊接的纳米元件从而实现焊接的目的。本发明能够制作复杂的复合结构，可应用在透明电极、耦合器、等离子体波导等应用中。

Description

一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法
技术领域
本发明属于纳米加工领域，具体是一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法。
背景技术
基于金属纳米线的焊接技术可将纳米线连接到一起，形成纳米线网络。这使得金属纳米线可以成为太阳能电池、透明电极、有机发光二极管等光电子器件的基本组成元件。相比于传统的氧化铟锡(ITO)材料制成的导电屏幕，以金属纳米线作为导电材料制作的透明电极可以克服ITO成本高、易破碎、加工难的诸多缺陷，有着巨大的市场潜力。金属纳米线透明电极需要纳米线形成网络，并且需要将纳米线之间联通。这就带来了金属纳米线焊接的问题。纳米焊接主要解决在纳米尺度将不同结构、不同材料如何连接在一起的问题。E.Garnett等人提出用卤钨灯照射金属纳米线网络，可以在金属纳米线相互交叉的位置产生纳米焊接，这种焊接极大地提升透明导体电极的性能(US2014/0090870A1)。但是，类似于这种直接在待焊接的纳米元件上进行操作加工的焊接方法，由于待焊接的纳米元件直接暴露于光或者热处理，待焊接的纳米元件都会遭到破坏。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其主要部分在于纳米线受激发产生光热效应形成球形纳米结构,并将该球形纳米结构作为焊料包裹住待焊接的纳米元件，从而在避免待焊接的纳米元件结构破坏的前提下实现焊接。
纳米线受激发的光束由激光器输出，具体的：激光器输出单色连续激光，再通过光束衰减器定量地调节入射功率，然后用机械或电子快门控制激光通过时间。激光经四分之一波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，聚焦后照射在用作焊料的纳米线上，并通过安装在显微镜透镜组另一侧的CCD图像传感器获取纳米结构图像。
所述单色连续激光工作波长为单个波长，范围为400纳米-1500纳米。照射在用作焊料的纳米线的焊接有效激光功率范围为10毫瓦-1000毫瓦，由机械或电子快门控制激光通过的时间范围为0.1秒-1秒，聚焦后的光斑束腰半径范围为0.1微米-1微米。
所述的作为焊料的纳米单元的熔点不高于待焊接的纳米元件的熔点。
所述的待焊接的纳米元件为金属材料，其形貌为线状、颗粒状、带状或片状。
所述的待焊接的纳米元件放置于一个基底层(如玻璃层，硅层)之上，基底层的熔点高于纳米元件熔化时的熔点。
所述的作为焊料的纳米单元可来源于外来纳米元件，也可来源于待焊接纳米元件本身的多余部分。作为焊料的纳米单元材料为金属，其熔点不高于待焊接纳米元件材料的熔点。
本发明的原理在于纳米焊料受光照后发生局域表面等离激元共振，产生光热效应。当温度接近纳米焊料熔点时，纳米焊料发生表面熔化形成纳米球结构，本技术可控制纳米球的位置，使得纳米球能够恰好包裹住待焊接的纳米元件，从而实现焊接的目的。由于待焊接的纳米元件没有直接暴露于光处理，从而避免了其结构被破坏。
本发明有益效果如下：
复杂纳米结构，如各种金属耦合器；透明电极中大规模纳米线网络的补充方法，任何一种大规模纳米连接方法都不能保证所有的结构能够成功实现连接，本方法的初衷正是处理局域的连接；不同金属、不同结构之间的焊接，本方法的着重点在于牺牲掉焊料，以形成的纳米球包裹住待焊接的纳米元件，因而不仅可应用在金属纳米线之间的焊接，也可应用于其他不同金属材料之间的焊接，这已经在实验上被我们证明。且本发明的最大优点在于能够在不破坏待焊接的纳米元件结构破坏的前提下实现焊接。从而实现无损焊接。
附图说明
图1为本发明基于光热效应采用焊料的纳米焊接系统装置示意图；
图2(a)、(b)、(c)、(d)为实施例焊料受到激光熔断形成纳米球结构示意图和扫描电子显微镜图；
图3(a)、(b)、(c)为实施例所述T型结构采用焊料的纳米焊接示意图和扫描电子显微镜图；
图4(a)、(b)、(c)为实施例所述X型结构采用焊料的纳米焊接示意图和扫描电子显微镜图。
图5为实施例所述的采用焊料的银纳米线和金纳米片的纳米焊接扫描电子显微镜图。
具体实施方式：
本实施方式案例以本发明提出的基于光热效应的采用焊料的纳米焊接方法为前提，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，一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法所需要使用的设备包括：单色连续激光、光衰减器、快门、1/4波片、显微镜、样品台和功率计。所述单色连续激光通过光束衰减器定量地调节入射功率，然后用机械或电子快门控制激光通过时间。激光经1/4波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，聚焦后照射在作为焊料的纳米单元上。纳米单元受激发产生光热效应，发生熔化过程，形成纳米球结构。通过控制激光照射位置，使得纳米球能够恰好包裹住待焊接的纳米元件。最后由安装在显微镜透镜组另一侧的CCD图像传感器获取纳米结构图像。所述的待焊接的纳米元件为金属材料，其放置于一个基底层之上，基底层的熔点高于纳米元件熔化时的熔点。
如图2(a)所示，激光聚焦在纳米线(纳米单元)一端使其熔断形成纳米球形结构示意图。(b)为实验时激光熔断纳米线一端形成纳米球形结构的扫描电子显微镜图，从图中我们可发现形成了明显的球形结构。(c)是当激光照射纳米线中间时的示意图。当激光将纳米线从中间熔断之后，纳米线会分裂成两个纳米球形结构。(d)为激光照射纳米线中间时形成的两个纳米球形结构的扫描电子显微镜图。
利用图2所示形成的纳米球形结构作为焊料，可以将待焊接的纳米元件包裹起来实现纳米焊接。如图3(a)所示，利用探针将两根纳米线排列成T型待焊接纳米结构，其中一个纳米线一小部分伸出该T型结构作为焊料，将激光对准该焊料。激光熔断该焊料后形成球形纳米结构，该球形纳米结构在形成过程中会收缩，当遇到T型待焊接的纳米元件时，就会在交汇处同时包裹住两根纳米线，这便实现了T型结构的纳米焊接，(b)和(c)为焊接后的T形结构的扫描电子显微镜图像，其中(c)为放大图；
如图4(a)所示，对于更常见的X形结构，利用探针将两根纳米线排列成X型待焊接纳米结构，然后利用探针推动第三根纳米线(作焊料)至X型待焊接纳米结构交汇处附近。激光照射在远离X型待焊接纳米结构交汇处的第三根纳米线上，根据图2(c)和(d)所示实验，焊料纳米线将会熔断成两段，并且在各自一端形成球形纳米结构。将激光中心移动到靠近X型待焊接纳米结构交汇处球形纳米结构，其不断收缩直到接近X型待焊接纳米结构交汇处时，就会在交汇处同时包裹住两根纳米线，这便实现了X型结构的纳米焊接。(b)是一个焊接好的X形结构的扫描电子显微镜图，图中可清晰发现一个纳米球包裹住了原有的两根纳米线形成的X形结，同时可发现残留的焊料纳米线。(c)为放大图。
该方法也可用于纳米线和纳米片之间的焊接，图5为采用焊料的两根银纳米线和金纳米片的焊接在一起后的扫描电子显微镜图。

Claims (8)

1.一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其特征在于纳米线受激发产生光热效应形成球形纳米结构,并将该球形纳米结构作为焊料包裹住待焊接的纳米元件，从而在避免待焊接的纳米元件结构破坏的前提下实现焊接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其特征在于纳米线受激发的光束由激光器输出，具体的：激光器输出单色连续激光，再通过光束衰减器定量地调节入射功率，然后用机械或电子快门控制激光通过时间。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，聚焦后照射在用作焊料的纳米线上，并通过安装在显微镜透镜组另一侧的CCD图像传感器获取纳米结构图像。
3.根据权利要求2所述的一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其特征在于所述单色连续激光工作波长为单个波长，范围为400纳米-1500纳米。照射在用作焊料的纳米线的焊接有效激光功率范围为10毫瓦-1000毫瓦，由机械或电子快门控制激光通过的时间范围为0.1秒-1秒，聚焦后的光斑束腰半径范围为0.1微米-1微米。
4.根据权利要求2所述的一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其特征在于所述的作为焊料的纳米单元的熔点不高于待焊接的纳米元件的熔点。
5.根据权利要求2所述的一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其特征在于所述的待焊接的纳米元件为金属材料，其形貌为线状、颗粒状、带状或片状。
6.根据权利要求2所述的一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其特征在于所述的待焊接的纳米元件放置于一个基底层之上，基底层的熔点高于纳米元件熔化时的熔点。
7.根据权利要求2所述的一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其特征在于所述的作为焊料的纳米单元来源于待焊接纳米元件本身的多余部分。
8.根据权利要求2所述的一种基于光热效应采用焊料的纳米焊接方法，其特征在于所述的作为焊料的纳米单元来源于外来纳米元件，作为焊料的纳米单元材料为金属，其熔点不高于待焊接纳米元件材料的熔点。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106392233A (zh) * 2016-12-06 2017-02-15 兰州大学 一种电镜原位加热装置结合焊料的纳米焊接方法
CN106513959A (zh) * 2016-12-19 2017-03-22 华中科技大学 一种银纳米线焊接方法
CN107240557A (zh) * 2017-04-28 2017-10-10 浙江大学 一种基于光热效应的纳米键合系统和方法
CN108145312A (zh) * 2018-01-30 2018-06-12 江苏微纳激光应用技术研究院有限公司 一种激光焊接系统及其焊接方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101452865A (zh) * 2007-12-07 2009-06-10 先进自动器材有限公司 用于安装半导体芯片的焊料滴涂
CN101519184A (zh) * 2008-02-29 2009-09-02 财团法人工业技术研究院 利用光热效应制作应用基板的方法
CN103934575A (zh) * 2014-04-28 2014-07-23 江苏大学 利用金属纳米颗粒光热效应加工高反射率材料的方法
CN104480432A (zh) * 2014-12-02 2015-04-01 四川大学 基于飞秒脉冲激光沉积生长微纳米结构薄膜的方法及装置
CN104942455A (zh) * 2015-05-14 2015-09-30 西安交通大学 一种碳包覆铜纳米线的低温自焊接方法
CN105149781A (zh) * 2015-10-10 2015-12-16 浙江大学 一种基于光热效应的单点纳米焊接方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101452865A (zh) * 2007-12-07 2009-06-10 先进自动器材有限公司 用于安装半导体芯片的焊料滴涂
CN101519184A (zh) * 2008-02-29 2009-09-02 财团法人工业技术研究院 利用光热效应制作应用基板的方法
CN103934575A (zh) * 2014-04-28 2014-07-23 江苏大学 利用金属纳米颗粒光热效应加工高反射率材料的方法
CN104480432A (zh) * 2014-12-02 2015-04-01 四川大学 基于飞秒脉冲激光沉积生长微纳米结构薄膜的方法及装置
CN104942455A (zh) * 2015-05-14 2015-09-30 西安交通大学 一种碳包覆铜纳米线的低温自焊接方法
CN105149781A (zh) * 2015-10-10 2015-12-16 浙江大学 一种基于光热效应的单点纳米焊接方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
QINGZHOU CUI等: ""JOINING AND INTERCONNECT FORMATION OF NANOWIRES AND CARBON NANOTUBES FOR NANOELECTRONICS AND NANOSYSTEMS"", 《SMALL》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106392233A (zh) * 2016-12-06 2017-02-15 兰州大学 一种电镜原位加热装置结合焊料的纳米焊接方法
CN106392233B (zh) * 2016-12-06 2018-08-14 兰州大学 一种电镜原位加热装置结合焊料的纳米焊接方法
CN106513959A (zh) * 2016-12-19 2017-03-22 华中科技大学 一种银纳米线焊接方法
CN107240557A (zh) * 2017-04-28 2017-10-10 浙江大学 一种基于光热效应的纳米键合系统和方法
CN108145312A (zh) * 2018-01-30 2018-06-12 江苏微纳激光应用技术研究院有限公司 一种激光焊接系统及其焊接方法

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