CN112743269A - 一种微纳尺寸片与片的冷焊方法 - Google Patents
一种微纳尺寸片与片的冷焊方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及微纳尺寸焊接，更具体的说是一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述该方法包括以下步骤：步骤一：选取母材Ⅰ和母材Ⅱ；步骤二：母材Ⅰ和母材Ⅱ在完全真空状态下相互靠近；步骤三：母材Ⅰ和母材Ⅱ在焊接间距下保持一段时间完成焊接；可以利用真空量子涨落原理实现纳米片与片之间的连接，焊接在室温下进行，不需要额外的能量及压力辅助，可以实现连接点与母材等强；可以不施加外界压力以及能量对微纳米尺寸片与片实现连接；具有无焊料、无污染、低应力、无摩擦以及无加热的特点；因此，连接后材料性能不会受到影响；与熔化焊及钎焊相比，本发明可以在短时间内实现微纳米尺寸片/片及线/片的有效连接。
Description
技术领域
本发明涉及微纳尺寸焊接，更具体的说是一种微纳尺寸片与片的冷焊方法。
背景技术
金属纳米材料对力、电、磁等物理刺激具有很高的敏感性。金属纳米材料具有超高频工作的能力，作为电子和机电设备的纳米机械构件和主动元件具有较大的潜力。纳米连接是纳米制造的关键技术，目前的研究主要集中于纳米线/线的连接，且连接方法主要通过熔化焊、钎焊以及冷焊接方法实现。然而，对纳米片/片的冷焊连接方面尚未见报道。
熔化焊的热源主要为电焦耳热、电子束加热以及激光加热。由于连接件尺寸较小，通过加热的方式进行连接，焊接中较高的热输入难以保证材料的晶粒在连接后仍然保持纳米尺寸。此外，采用激光及电子束的方式需要较长时间的热输入才能实现有效的连接。
采用钎焊对纳米结构件的连接中，钎料的加入会破坏材料的均匀性，且对材料的导电性会有较大的影响。
综上现有技术中的缺点是无法在短时间内实现微纳米尺寸片/片及线/片的有效连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，可以在短时间内实现微纳米尺寸片/片及线/片的有效连接。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述该方法包括以下步骤：
步骤一：选取母材Ⅰ和母材Ⅱ；
步骤二：母材Ⅰ和母材Ⅱ在完全真空状态下相互靠近；
步骤三：母材Ⅰ和母材Ⅱ在焊接间距下保持一段时间完成焊接。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述母材Ⅰ和母材Ⅱ为Ag、Au、Al、Ti、Pb或Cu，母材Ⅰ和母材Ⅱ为同种材料或异种材料。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述母材Ⅰ和母材Ⅱ的厚度为10nm～100nm，母材Ⅰ和母材Ⅱ相互平行设置。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述母材Ⅰ和母材Ⅱ的焊接间距为0～10nm，母材Ⅰ和母材Ⅱ保持间距的一段时间为5s～120s。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述微纳尺寸片与片的冷焊方法还涉及一种真空环境下纳米结构冷焊系统，真空环境下纳米结构冷焊系统包括驱动器Ⅰ、驱动器Ⅱ、三探针纳米操作器Ⅰ、三探针纳米操作器Ⅱ、显微镜、纳米操作台、定位块Ⅰ和定位块Ⅱ。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述母材Ⅰ和母材Ⅱ在真空环境下纳米结构冷焊系统内焊接的步骤为：
步骤一：调节定位块Ⅰ和定位块Ⅱ之间的距离，两者间距为100nm～1mm；
步骤二：母材Ⅰ和母材Ⅱ分别放置在定位块Ⅰ和定位块Ⅱ上，操作环境抽取成完全真空状态；
步骤三：启动驱动器Ⅰ及三探针纳米操作器Ⅰ，拾取母材Ⅰ，驱动器Ⅰ和三探针纳米操作器Ⅰ驱动母材Ⅰ与定位块Ⅰ侧面贴合，使得母材Ⅰ垂直于纳米操作台且平行于显微镜；
步骤四：启动并调整驱动器Ⅱ及三探针纳米操作器Ⅰ，使得母材Ⅱ与定位块Ⅱ侧面贴合，保证母材Ⅱ垂直于纳米操作台，保证母材Ⅰ和母材Ⅱ相互平行；
步骤五：通过调节驱动器Ⅱ使母材Ⅱ沿x单方向移动，并通过显微镜观察母材Ⅰ和母材Ⅱ之间的距离，使母材Ⅰ和母材Ⅱ之间的间距为10～100nm；
步骤六：定位块Ⅱ升高，使得定位块Ⅱ上表面到母材Ⅰ上边缘垂直距离为搭接长度；
步骤七：移动驱动器Ⅱ使母材Ⅱ沿着z单向运动，使得母材Ⅱ下边缘与定位块Ⅱ上边缘相合，沿着z轴方向移动驱动器Ⅱ，使得母材Ⅱ下边缘与定位块Ⅱ上表面重合；
步骤八：通过调节驱动器Ⅱ使母材Ⅱ沿x轴方向移动，并通过显微镜观察使得母材Ⅰ和母材Ⅱ之间的距离逐渐缩小，最后使得两种材料间距为0～10nm；
步骤九：三探针纳米操作器Ⅰ和三探针纳米操作器Ⅱ的位置保持5s～120s，完成母材Ⅰ和母材Ⅱ之间的连接；
步骤十：连接完成后，撤离三探针纳米操作器Ⅰ，通过三探针纳米操作器Ⅱ将连接件放置于纳米操作台上，释放真空，取出连接件。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述显微镜为近场或远场显微镜。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述定位块Ⅰ和定位块Ⅱ上均设置有升降驱动器。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述纳米操作台上设置有驱动定位块Ⅰ和定位块Ⅱ沿x轴方向运动的横移驱动器。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述母材Ⅰ和母材Ⅱ为纳米片/纳米片或者纳米线/纳米片。
本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法的有益效果为：
本发明一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，可以利用真空量子涨落原理实现纳米片与片之间的连接，焊接在室温下进行，不需要额外的能量及压力辅助，可以实现连接点与母材等强；可以不施加外界压力以及能量对微纳米尺寸片与片实现连接；具有无焊料、无污染、低应力、无摩擦以及无加热的特点；因此，连接后材料性能不会受到影响；与熔化焊及钎焊相比，本发明可以在短时间内实现微纳米尺寸片/片及线/片的有效连接；本发明通过原子扩散行为实现微纳米尺寸片与片的连接，连接接头中不会出现较大的电阻；可以进行同种材料或异种材料的连接，为纳米材料在传感器中的应用提供可能，甚至推动传感器技术的变革；此外，连接时间较短，可以极大的提升生产效率；本发明有望为芯片领域的纳米结构连接提供新思路。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的真空环境下纳米结构冷焊系统结构示意图。
图中：母材Ⅰ1；母材Ⅱ2；驱动器Ⅰ3a；驱动器Ⅱ3b；三探针纳米操作器Ⅰ4a；三探针纳米操作器Ⅱ4b；操作环境5；显微镜6；纳米操作台7；定位块Ⅰ8；定位块Ⅱ9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
此外，在本发明的描述中,除非另有说明，“多个”、“多组”、“多根”的含义是两个或两个以上。
具体实施方式一：
下面结合图1说明本实施方式，一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，所述该方法包括以下步骤：
步骤一：选取母材Ⅰ1和母材Ⅱ2；
步骤二：母材Ⅰ1和母材Ⅱ2在完全真空状态下相互靠近；
步骤三：母材Ⅰ1和母材Ⅱ2在焊接间距下保持一段时间完成焊接；可以利用真空量子涨落原理实现纳米片与片之间的连接，焊接在室温下进行，不需要额外的能量及压力辅助，可以实现连接点与母材等强；依据量子力学指出，量子场从不静止，而是不断的波动；此外，电磁场的量子涨落可以诱导电子或振动声子在真空中耦合。两个非常平滑的金属板在空间中相互靠近时，金属板之间因为量子涨落产生的电磁波会受到限制，在金属板相对表面的振幅为0，而在金属外侧，电磁波不会受到限制。因此，金属板外侧存在的电磁波模式会大于内部。在电磁波的作用下，会产生一个让两个金属片靠拢的卡西米尔力。当两种金属片之间的距离小于10nm时间，真空施加的卡西米尔力会达到1个大气压。当两个金属片接触后，在涨落能量的作用下会产生一个引力场，两个金属片的原子互相扩散，最终形成接头。
具体实施方式二：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述母材Ⅰ1和母材Ⅱ2为Ag、Au、Al、Ti、Pb或Cu等，母材Ⅰ1和母材Ⅱ2为同种材料或异种材料；
具体实施方式三：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述母材Ⅰ1和母材Ⅱ2的厚度为10nm～100nm，母材Ⅰ1和母材Ⅱ2相互平行设置；母材Ⅰ1和母材Ⅱ2的长度和宽度以及搭接面积可根据需要可进行设计。
具体实施方式四：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述母材Ⅰ1和母材Ⅱ2的焊接间距为0～10nm，母材Ⅰ1和母材Ⅱ2保持间距的一段时间为5s～120s。
具体实施方式五：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式四作进一步说明，所述微纳尺寸片与片的冷焊方法还涉及一种真空环境下纳米结构冷焊系统，真空环境下纳米结构冷焊系统包括驱动器Ⅰ3a、驱动器Ⅱ3b、三探针纳米操作器Ⅰ4a、三探针纳米操作器Ⅱ4b、显微镜6、纳米操作台7、定位块Ⅰ8和定位块Ⅱ9。
具体实施方式六：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述母材Ⅰ1和母材Ⅱ2在真空环境下纳米结构冷焊系统内焊接的步骤为：
步骤一：调节定位块Ⅰ8和定位块Ⅱ9之间的距离，两者间距为100nm～1mm；特别的，定位块Ⅰ8和定位块Ⅱ9两个面互相平行且垂直于纳米操作台7；
步骤二：母材Ⅰ1和母材Ⅱ2分别放置在定位块Ⅰ8和定位块Ⅱ9上，操作环境5抽取成完全真空状态；关闭系统舱室，打开抽气泵，将操作环境5内抽取成完全真空状态；
步骤三：启动驱动器Ⅰ3a及三探针纳米操作器Ⅰ4a，拾取母材Ⅰ1，驱动器Ⅰ3a和三探针纳米操作器Ⅰ4a驱动母材Ⅰ1与定位块Ⅰ8侧面贴合，使得母材Ⅰ1垂直于纳米操作台7且平行于显微镜6；
步骤四：启动并调整驱动器Ⅱ3b及三探针纳米操作器Ⅰ4a，使得母材Ⅱ2与定位块Ⅱ9侧面贴合，保证母材Ⅱ2垂直于纳米操作台7，保证母材Ⅰ1和母材Ⅱ2相互平行；
步骤五：通过调节驱动器Ⅱ3b使母材Ⅱ2沿x单方向移动，并通过显微镜6观察母材Ⅰ1和母材Ⅱ2之间的距离，使母材Ⅰ1和母材Ⅱ2之间的间距为10～100nm；
步骤六：定位块Ⅱ9升高，使得定位块Ⅱ9上表面到母材Ⅰ1上边缘垂直距离为搭接长度；
步骤七：移动驱动器Ⅱ3b使母材Ⅱ2沿着z单向运动，使得母材Ⅱ2下边缘与定位块Ⅱ9上边缘相合，沿着z轴方向移动驱动器Ⅱ3b，使得母材Ⅱ2下边缘与定位块Ⅱ9上表面重合；
步骤八：通过调节驱动器Ⅱ3b使母材Ⅱ2沿x轴方向移动，并通过显微镜6观察使得母材Ⅰ1和母材Ⅱ2之间的距离逐渐缩小，最后使得两种材料间距为0～10nm；
步骤九：三探针纳米操作器Ⅰ4a和三探针纳米操作器Ⅱ4b的位置保持5s～120s，完成母材Ⅰ1和母材Ⅱ2之间的连接；
步骤十：连接完成后，撤离三探针纳米操作器Ⅰ4a，通过三探针纳米操作器Ⅱ4b将连接件放置于纳米操作台7上，释放真空，取出连接件。
具体实施方式七：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述显微镜6为近场或远场显微镜。
具体实施方式八：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述定位块Ⅰ8和定位块Ⅱ9上均设置有升降驱动器。
具体实施方式九：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式八作进一步说明，所述纳米操作台7上设置有驱动定位块Ⅰ8和定位块Ⅱ9沿x轴方向运动的横移驱动器。
具体实施方式十：
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式九作进一步说明，所述母材Ⅰ1和母材Ⅱ2为纳米片/纳米片或者纳米线/纳米片。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述该方法包括以下步骤：
步骤一：选取母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)；
步骤二：母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)在完全真空状态下相互靠近；
步骤三：母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)在焊接间距下保持一段时间完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)为Ag、Au、Al、Ti、Pb或Cu，母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)为同种材料或异种材料。
3.根据权利要求1所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)的厚度为10nm～100nm，母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)相互平行设置。
4.根据权利要求1所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)的焊接间距为0～10nm，母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)保持间距的一段时间为5s～120s。
5.根据权利要求1所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述微纳尺寸片与片的冷焊方法还涉及一种真空环境下纳米结构冷焊系统，真空环境下纳米结构冷焊系统包括驱动器Ⅰ(3a)、驱动器Ⅱ(3b)、三探针纳米操作器Ⅰ(4a)、三探针纳米操作器Ⅱ(4b)、显微镜(6)、纳米操作台(7)、定位块Ⅰ(8)和定位块Ⅱ(9)。
6.根据权利要求5所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)在真空环境下纳米结构冷焊系统内焊接的步骤为：
步骤一：调节定位块Ⅰ(8)和定位块Ⅱ(9)之间的距离，两者间距为100nm～1mm；
步骤二：母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)分别放置在定位块Ⅰ(8)和定位块Ⅱ(9)上，操作环境(5)抽取成完全真空状态；
步骤三：启动驱动器Ⅰ(3a)及三探针纳米操作器Ⅰ(4a)，拾取母材Ⅰ(1)，驱动器Ⅰ(3a)和三探针纳米操作器Ⅰ(4a)驱动母材Ⅰ(1)与定位块Ⅰ(8)侧面贴合，使得母材Ⅰ(1)垂直于纳米操作台(7)且平行于显微镜(6)；
步骤四：启动并调整驱动器Ⅱ(3b)及三探针纳米操作器Ⅰ(4a)，使得母材Ⅱ(2)与定位块Ⅱ(9)侧面贴合，保证母材Ⅱ(2)垂直于纳米操作台(7)，保证母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)相互平行；
步骤五：通过调节驱动器Ⅱ(3b)使母材Ⅱ(2)沿x单方向移动，并通过显微镜(6)观察母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)之间的距离，使母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)之间的间距为10～100nm；
步骤六：定位块Ⅱ(9)升高，使得定位块Ⅱ(9)上表面到母材Ⅰ(1)上边缘垂直距离为搭接长度；
步骤七：移动驱动器Ⅱ(3b)使母材Ⅱ(2)沿着z单向运动，使得母材Ⅱ(2)下边缘与定位块Ⅱ(9)上边缘相合，沿着z轴方向移动驱动器Ⅱ(3b)，使得母材Ⅱ(2)下边缘与定位块Ⅱ(9)上表面重合；
步骤八：通过调节驱动器Ⅱ(3b)使母材Ⅱ(2)沿x轴方向移动，并通过显微镜(6)观察使得母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)之间的距离逐渐缩小，最后使得两种材料间距为0～10nm；
步骤九：三探针纳米操作器Ⅰ(4a)和三探针纳米操作器Ⅱ(4b)的位置保持5s～120s，完成母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)之间的连接；
步骤十：连接完成后，撤离三探针纳米操作器Ⅰ(4a)，通过三探针纳米操作器Ⅱ(4b)将连接件放置于纳米操作台(7)上，释放真空，取出连接件。
7.根据权利要求6所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述显微镜(6)为近场或远场显微镜。
8.根据权利要求6所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述定位块Ⅰ(8)和定位块Ⅱ(9)上均设置有升降驱动器。
9.根据权利要求6所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述纳米操作台(7)上设置有驱动定位块Ⅰ(8)和定位块Ⅱ(9)沿x轴方向运动的横移驱动器。
10.根据权利要求1至9任一项所述的一种微纳尺寸片与片的冷焊方法，其特征在于：所述母材Ⅰ(1)和母材Ⅱ(2)为纳米片/纳米片或者纳米线/纳米片。
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| CN202011623545.XA CN112743269A (zh) | 2020-12-31 | 2020-12-31 | 一种微纳尺寸片与片的冷焊方法 |
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2020
- 2020-12-31 CN CN202011623545.XA patent/CN112743269A/zh active Pending
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