[发明专利]一种基于电致发热效应的一维纳米材料的焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种基于电致发热效应的一维纳米材料与带电极基底之间的焊接方法。

背景技术

近年来，随着纳米科技的不断进步，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，其中一维纳米材料以其独特的电学性质及其在新型超大规模集成电路中的应用潜力获得了各界的广泛关注。现以单根一维纳米材料为基础，将其与纳米器件单元焊接到一起成为具有特种功能及作用的纳米电子器件、构筑电路及新型传感器等已经是一门世界性的前沿课题。由于纳米材料的尺寸与焊接工具的尺寸无法匹配而造成焊接困难。

在纳米器件构筑的研究中，已经有一些一维纳米材料的焊接方法被发展出来，如：（1）扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）以及由它们发展而成的各类扫描探针技术。但是用STM、AFM和扫描探针时进行一维纳米材料焊接时往往存在成本高、效率低的缺点，且还存在针尖易污染、易破损而不能反复使用等问题。

（2）采用高能电子束实现碳纳米管间的连接。可是由于电子显微镜真空腔内或附粘在碳纳米管表面的碳氢化合物数量的不可控性而极大地制约了该方法在纳米焊接中的普遍使用。此外，高能电子束系统使用成本十分昂贵且不易集成到工业生产线中，其需要在比较苛刻的高真空和高电压下才能进行操作。

（3）借助于扫描电镜中聚焦离子束沉积系统（FIB）和电子束曝光系统（EBL）来构筑纳米器件电极。该方法的优点是加工图案精确可控和效率高。但它们也存在诸多问题及不足：第一是影响到器件的本征性能：如FIB构筑电极时，存在离子源污染样品，在所加工的纳米结构中留下离子源如Ga原子等元素；第二是由于EBL需要引入曝光技术，其工艺复杂，一定程度上也污染了样品。

基于上述各种焊接方法的缺陷，因此开发一种无污染、便捷而易操作的一维纳米材料焊接方法是十分迫切的。

 

发明内容：

本发明提供一种基于电致发热效应的一维纳米材料的焊接方法，将一维纳米材料焊接在带电极基底上，使其焊接牢固且焊接位置可控。

本发明的发明原理是通过在待焊接的一维纳米材料与带电极基底之间施加特定的电压，形成电流回路，由于接触电阻较大，因此在两种材料的结合部位产生更大的热量，通过调控施加电压的大小以及波形即可以实现一维纳米材料与带电极基底的接触部位瞬间局部被熔化，从而将一维纳米材料焊接在带电极基底上而构筑电路形成纳米电子器件、传感器等。

一种基于电致发热效应的一维纳米材料的焊接方法，通过探针电极施加一定波形和大小的电压，将单根一维纳米材料焊接在带电极基底上。

进一步，所述一维纳米材料是含金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、锡(Sn)、铟(In)、锌(Zn)、氧化锌(ZnO)、二氧化锡(SnO₂)或二氧化钛(TiO₂)的纳米线、纳米带、纳米管或纳米电缆；所述一维纳米材料的直径为10～1000nm。

进一步，所述探针电极是指曲率半径不大于500nm的钨探针电极或银探针电极。

进一步，所述带电极基底是指在硅片、玻璃、导电玻璃、有机玻璃或及聚合物薄膜的表面经蒸发、溅射或离子束沉积方法形成一层金(Au)、银(Ag)或铜(Cu)电极薄膜。

进一步，所述电压的波形是指线性、方波、正弦波、脉冲波、锯齿波、阶梯波；电压的大小为-20V～20V。

进一步，所述单根一维纳米材料与带电极基底之间的结合力大于50 nN。

进一步，所述单根一维纳米材料的选取包括如下步骤：

（1）分散：将待焊接的一维纳米材料经超声分散在溶剂中形成质量比浓度为1μg/mL～10mg/mL的分散液，取分散液滴在洁净的硅片表面；静置后，硅片表面均匀分散了一维纳米材料；

（2）选取：在扫描电镜下，使用纳米操纵探针选定一根一维纳米材料并将其挑起转移到带电极基底上的待焊接处进行待焊接。

更进一步，所述步骤（1）中超声分散的功率为不小于10毫瓦，超声分散时间为5～30分钟。

更进一步，所述步骤（1）中溶剂为水、甲醇、乙醇、丙酮、乙醚或异丙醇。

更进一步，所述步骤（1）中洁净的硅片是指依次通过丙酮、乙醇的超声清洗后再用98%的浓硫酸中浸泡，最后用去离子水漂洗3～5次所得。