[发明专利]用于微/纳米尺度焊接的一维纳米焊料及其制备方法

说明书

技术领域           

本发明涉及焊料材料领域，尤其是涉及用于微/纳米尺度焊接的一维纳米焊料及其制备方法。

背景技术    

随着目前纳米材料研究的深入发展，人们已经能够轻易通过各种物理、化学或生物等办法制备出千千万万种纳米材料，然而利用现代焊接技术却无法直接在纳米尺度上将这些制备的单个纳米材料或纳米器件单元焊接到一起，连接成各种具有特种功能及作用的纳米电子器件、传感器、装置、设备和工具等。原因是现代焊接技术中焊接工艺所用焊接工具和焊料远大于纳米材料尺寸，无法彻底覆盖纳米焊接母体，尺寸上完全也无法匹配。目前，现代焊接技术，能在纳米空间将纳米尺度的单体材料或器件单元等焊接到一起的各种纳米焊接技术还严重缺乏。这也是为什么到今天纳米科技并没有如人们在十年前所预期的大规模地投入实际应用的一个根本原因。

现阶段许多纳米科技研究只是简单地使用如扫描探针显微镜技术、由底到上的生长技术将单个或阵列纳米材料放到一起，这与焊接而成牢靠结实能长期有效的联结点是有本质区别的。简单地将纳米材料放到一起并不能形成可靠、稳定和长寿命真正有实际用处的纳米器件。因此，最近几年，纳米焊接相关的研究工作开始受到了研究人员的重视，成为纳米研究中一个新兴的研究分支。主要的研究工作包括纳米焊料的制备，纳米焊接技术的开发，纳米焊接机理（如同质、异质材料间浸润及扩散机制）等。它是人们研发和制造许多纷繁复杂的多功能纳米电子传感器和器件的基础和关键技术保障。从某种意义上说，它的研究和进一步发展，能真正推动纳米研究全面地从纳米材料的研究提升到纳米科技的层次。

目前，已有几种纳米焊接技术，如聚焦离子束焊接、高能电子束辐照 、超声波辐射、激光焊接以及纳米电学焊接技术，被研究出来焊接单个微/纳米单体。其中，前三种焊接技术由其技术本身决定了其局限性。聚焦离子束焊接中离子束注入要焊接的纳米母体或纳米图案中时会引起材料改性，如物相、成分结构等性质改变;高能电子束辐照焊接技术目前只能是在透射电子显微镜下进行且焊接速度慢、存在大量的无定形碳污染，暂时只能用于科学研究；超声波辐射焊接技术无法做到微/纳区域定位。因此，在可见的将来，这三种焊接技术很难能真正用于纳米科技工业生产。激光焊接技术焊接速度快，很容易实现自动化，生产效率极高。但是，就目前的技术水平，激光光斑目前通常至少是微米尺度，激光能量会影响纳米焊接点以外的辐照区域，引起纳米器件发生变形或功能失效，严重影响它的实用化。

纳米电学焊接技术是将电流引入造成焊接部位纳米区域熔化而将纳米母体或纳米图案等焊接到一起。目前主要有两种工艺。一种是将电流通过纳米焊接母体或纳米结构等，但这种方法在用于小于100纳米的金属线时有很大的问题，由于这些小纳米尺度材料活性高、表面张力大等原因，在纳米焊点熔化的同时纳米结构也被熔断，无法焊接到一起。同时只能焊接能导电的纳米焊接母体或纳米结构。另一种是，将纳米焊料输送至纳米焊接部位，然后将电流通过并只熔化纳米焊料。由于电流只通过纳米焊料，不通过纳米焊接母体或纳米结构，因此不会损伤或污染纳米焊接母体或纳米结构，能即时进行焊接质量检查和焊料残渣清理，整个过程非常快速、简单、干净。同时，焊点牢靠、结实，纳米焊料可因纳米焊接母体随意选择，纳米焊接母体或纳米结构无需导电，能广泛应用于同质、异质材料焊接。输送纳米焊料的方法主要是使用电子显微镜原位纳米机器人，因此能精确定位。随着纳米机器人的进一步发展，这一焊接技术非常有可能真正成为能用于实际纳米工业生产的焊接技术。