CN107538012A - 一种纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其包括以下步骤：在衬底上设置至少两个纳米金属材质的电极和待焊纳米器件或纳米线，所述待焊纳米器件或纳米线设置在两个电极之间，所述电极之间的间距小于待焊纳米器件或纳米线的两端的距离；将设置好电极和待焊纳米器件或纳米线的衬底进行烧结，烧结过程中，引入红外光源或激光光源照射在连接部位上，即实现纳米器件与纳米金属电极的冶金连接。采用本发明的技术方案，利用红外光源或激光光源诱导纳米器件与电极中纳米颗粒之间形成局部的等离子共振，促进接触界面产生辅助加热效果，在低温实现纳米器件与印刷纳米金属电极的冶金连接，连接后具有更好的力学及电学性能。

Description

一种纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法

技术领域

本发明属于材料连接技术领域，尤其涉及一种纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法。

背景技术

纳米线或纳米器件具备诸多丰富的量子效应，而这些效应应用在电学领域就需要利用电极把纳米线或纳米器件引出才能发挥作用，而纳米线或纳米器件与基底上的电极的连接至今仍没有稳定的连接技术作为保障。主要原因是在纳米尺度上的连接仍有很大的挑战，传统的焊接技术并不适用。现在可采用的做法是在纳米线或纳米器件与电极之间在制作过程引入Au或Ti等缓冲层，以提高其接触界面的连接质量进而降低其接触电阻。但是引入额外的Au或Ti等缓冲层，制作工艺复杂，同时也增加了生产成本。本专利提出了一种方便有效在低温甚至室温就能实现纳米器件与纳米银电极连接的方法。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，在低温甚至室温下就能方便有效的实现纳米器件与纳米银电极的连接。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其包括以下步骤：

步骤S1，在衬底上设置至少两个纳米金属材质的电极和待焊纳米器件或纳米线，所述待焊纳米器件或纳米线设置在两个电极之间，所述电极之间的间距小于待焊纳米器件或纳米线的两端的距离；优选的，所述纳米金属材质的电极采用采用纳米金属颗粒墨水或焊料制备得到。

步骤S2，将步骤S1中设置好电极和待焊纳米器件或纳米线的衬底进行烧结，烧结过程中，引入红外光源或激光光源照射在连接部位上，即实现纳米器件与纳米金属电极的冶金连接。

采用此技术方案，在烧结过程中，利用红外光源或激光光源诱导纳米器件与电极中纳米颗粒之间形成局部的等离子共振，进而促进接触界面产生辅助加热效果，最终实现低温下，达到纳米器件与印刷纳米金属电极的冶金连接，连接后的界面可以更好的力学及电学性能。

作为本发明的进一步改进，所述电极之间的间距为1nm-1μm。

作为本发明的进一步改进，所述纳米金属颗粒墨水为采用包括Ag、Cu、Ni、Sn、Co、Au、Ti中的一种或两种以上混合的金属纳米颗粒制备的纳米金属颗粒墨水；所述纳米器件包括纳米Ag、Au、Pt、Pb、In、Cu、Ni、Sn、Co、CuO、InO或TiO₂的纳米线或功能纳米器件。

作为本发明的进一步改进，采用光镊、机械手或手动的方式放置待焊纳米器件或纳米线。

作为本发明的进一步改进，所述电极采用专用打印机、印刷设备、机械涂敷或手动涂敷的方式制备得到。

作为本发明的进一步改进，所述衬底为硬质衬底或柔性衬底。进一步的，所述硬质衬底的材质为金属、半导体或绝缘体材质，所述柔性衬底的材质为塑料、相纸或人造有机物。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述烧结的环境为真空、惰性气体、氮气保护气或空气环境下。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，激光光源的波长为300-1500nm；烧结温度为20-200℃。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述在衬底上置至少两个纳米金属材质的电极和待焊纳米器件或纳米线，包括以下分步骤：

分步骤S101，将纳米金属颗粒墨水或焊料通过打印、印刷或涂覆在衬底上制备出至少两个电极；

分步骤S102，将待焊纳米器件或纳米线放置在两电极之间。

作为本发明的进一步改进，上述分步骤S101和分步骤S102的顺序也可以互换，即步骤S1中，所述在衬底上置至少两个纳米金属材质的电极和待焊纳米器件或纳米线，包括以下分步骤：

分步骤S103，将待焊纳米器件或纳米线放置在衬底上；

分步骤S104，将纳米金属颗粒墨水或焊料通过打印、印刷或涂覆制备出至少两个电极，使电极位于在衬底上、并位于待焊纳米器件或纳米线的上方，并使待焊纳米器件或纳米线位于在两电极之间。

本发明的技术方案，在烧结过程中，引入红外光源或激光光源，利用红外光或激光诱导的等离子体可以有效促进界面的辅助加热效果，进而大幅降低烧结温度，温度可在20-200℃。

进一步的，调节适当的红外光源或激光光源的功率，可以实现室温条件下纳米器件与印刷纳米金属电极冶金连接。其中，所述红外光源或激光光源的功率为1-300mW之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，利用红外光源或激光光源诱导纳米器件与电极中纳米颗粒之间形成局部的等离子共振，进而促进接触界面产生辅助加热效果，最终实现低温实现纳米器件与印刷纳米金属电极的冶金连接，连接后的界面可以更好的力学及电学性能，接触电阻较现有技术的连接方法可以降低到1-100Ω以下，剪切强度可以达到1-25MPa。

本发明的技术方案可以利用可打印的纳米金属颗粒墨水制备电极，并利用红外光源或激光光源诱导纳米器件与电极中的纳米颗粒界面产生局域等离子共振，进而促进接触界面产生辅助加热效果，最终实现低温实现纳米器件与纳米金属电极的冶金连接。

附图说明

图1是本发明一种实施例的纳米线或纳米器件与电极的连接结构示意图，图1a为先制备电极的金属纳米颗粒电极与纳米线的连接示意图；图1b为先制备电极的金属纳米颗粒电极与纳米器件的连接示意图；图1c为后制备电极的金属纳米颗粒电极与纳米线的连接示意图；图1d为后制备电极的金属纳米颗粒电极与纳米器件的连接示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

一种纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其包括以下步骤：

(1)利用专用打印机、印刷设备、机械涂敷或手动涂敷等方法，将纳米金属颗粒墨水，在金属、半导体、绝缘体等硬质衬底或塑料、相纸、人造有机物等柔性衬底上制备出具1nm-1μm的间距的电极，如图1所示，电极之间的间距小于待焊纳米线或纳米器件的待焊接的两端之间的距离。本发明原则上适用于所有的纳米金属颗粒墨水制备的电极，如Ag、Cu、Ni、Sn、Co、Au、Ti等或混合的金属纳米颗粒制备的纳米墨水制备而成的电极。

(2)利用光镊、机械手或手动等方式将纳米线或纳米器件放置在两电极之间，如图1a和图1b所示。本专利涉及的纳米线或纳米器件可包括纳米Ag、Au、Pt、Pb、In、Cu、Ni、Sn、Co、CuO、InO、TiO₂等纳米线或功能纳米器件。

上述步骤(1)和(2)可以互换，即可以先将纳米线或纳米器件放置在衬底上，之后再利用专用打印机、印刷设备、机械涂敷或手动涂敷等方法，将电极制备在纳米线或纳米器件上方，如图1c和图1d所示。

(3)将制备好电极并放置好纳米线或纳米器件以后，将整个衬底一起放置在真空、惰性气体、氮气保护气或空气环境下进行烧结；在烧结过程，引入红外光源或激光光源(波长范围300-1500nm)，即可实现纳米器件与印刷纳米金属电极冶金连接。该过程中，利用红外光或激光诱导的等离子体可以有效促进界面的辅助加热效果，进而大幅降低烧结温度，温度可在20-200℃。

其中，调节红外光源或激光光源的功率，可以实现室温条件下纳米器件与印刷纳米金属电极冶金连接。所述红外光源或激光光源的功率在1-300mW之间。

下面，采用上述方法选取了不同材质的纳米线与纳米颗粒电极的冶金连接的工艺参数以及性能数据如表1所示。

表1不同材质的纳米线与纳米颗粒电极的冶金连接的工艺参数以及性能数据

另外，针对Ag纳米线与Ag纳米颗粒电极，采用现有技术的方法进行冶金连接作为对比例，利用Au或Ti作为缓冲层的方法，烧结温度为室温。但是，接触电阻一般较大在10Ω-1MΩ量级或以上，剪切强度较低，在0.001-5MPa。

由表1和对比例可见，采用本发明的技术方案，利用红外光源或激光光源诱导纳米线(纳米器件)与电极中纳米颗粒之间形成局部的等离子共振，促进了纳米线或纳米器件与电极的接触界面产生辅助加热效果，大大降低了烧结温度，很容易就实现低温或室温下进行纳米器件与印刷纳米金属电极的冶金连接。而且，连接后的界面可以达到很好的力学及电学性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤S1，在衬底上设置至少两个纳米金属材质的电极和待焊纳米器件或纳米线，所述待焊纳米器件或纳米线设置在两个电极之间，所述电极之间的间距小于待焊纳米器件或纳米线的两端的距离；

步骤S2，将步骤S1中设置好电极和待焊纳米器件或纳米线的衬底进行烧结，烧结过程中，引入红外光源或激光光源照射在连接部位上，即实现纳米器件与纳米金属电极的冶金连接。

2.根据权利要求1所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：所述电极之间的间距为1nm-1μm。

3.根据权利要求2所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：所述纳米金属颗粒墨水为采用包括Ag、Cu、Ni、Sn、Co、Au、Ti中的一种或两种以上混合的金属纳米颗粒制备的纳米金属颗粒墨水；所述纳米器件或纳米线的材质包括纳米Ag、Au、Pt、Pb、In、Cu、Ni、Sn、Co、CuO、InO或TiO₂。

4.根据权利要求1所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：采用光镊、机械手或手动的方式放置待焊纳米器件或纳米线。

5.根据权利要求1所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：所述电极采用专用打印机、印刷设备、机械涂敷或手动涂敷的方式制备得到。

6.根据权利要求5所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：所述衬底为硬质衬底或柔性衬底。

7.根据权利要求1所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：步骤S2中，所述烧结的环境为真空、惰性气体、氮气保护气或空气环境下。

8.根据权利要求7所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：步骤S2中，激光光源的波长为300-1500nm；烧结温度为20-200℃。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：步骤S1中，所述在衬底上置至少两个纳米金属材质的电极和待焊纳米器件或纳米线，包括以下分步骤：

分步骤S101，将纳米金属颗粒墨水或焊料通过打印、印刷或涂覆在衬底上制备出至少两个电极；

分步骤S102，将待焊纳米器件或纳米线放置在两电极之间。

10.根据权利要求1~8任意一项所述的纳米线或纳米器件与纳米金属电极冶金连接的方法，其特征在于：步骤S1中，所述在衬底上置至少两个纳米金属材质的电极和待焊纳米器件或纳米线，包括以下分步骤：

分步骤S103，将待焊纳米器件或纳米线放置在衬底上；

分步骤S104，将纳米金属颗粒墨水或焊料通过打印、印刷或涂覆制备出至少两个电极，使电极位于在衬底上、并位于待焊纳米器件或纳米线的上方，并使待焊纳米器件或纳米线位于在两电极之间。