[发明专利]一种基于光热效应的单点纳米焊接方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米加工技术领域，具体涉及一种基于光热效应的微纳米焊接方法。

背景技术

在微纳加工领域，随着先进制造技术的进步以及分析工具的革新，纳米材料的形貌变化，尤其是焊接现象，催生出一系列新兴应用，比如透明导体电极、薄膜太阳能电池、纳米催化剂、癌症治疗、纳米图形化技术等。

最近，E.Garnett等人提出了利用卤钨灯照射银纳米线可以在纳米线相互交叉地方产生自限制的焊接，而这种焊接又能极大地提升透明导体电极的性能(美国专利号US2014/0090870A1)。这无疑为大规模地生产高性能导体电极提供了一种简单可行的方法。这之后，研究人员们采用了各种方法来实现纳米线结区的焊接，比较典型的有热板加热法、机械压力法、吸附导体材料法、银离子化学反应法、光诱导法等等。这些方法在处理大规模纳米线网络的时候很有效，不过很少能够用于基于纳米线的电子和光子器件。因为这些器件通常独立地用于一些空间比较有限的场合，对于纳米尺度的操控要求很高。

另一方面，研究人员发现电焦耳热也可以用来连接纳米材料(专利申请号201310561021.6)。这种方法通常对于支撑结构的基底等会带来热损伤，而且该方法要求先进的设备来直接接触纳米线，可能对于目标结构附近的纳米结构带来机械损伤。

综上所述，目前没有一种简单、直接、可控的方法针对纳米材料实现单点焊接。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺点和不足，利用纳米金属材料表面等离激元特性，提出了一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，同时利用这种方法还可以创造性地制备出新型纳米复合结构。

本发明的技术方案如下：

一种基于光热效应的单点纳米焊接方法，具体如下：利用连续激光器输出单色激光，再通过光束衰减器调节单色激光的入射功率，然后用快门控制单色激光通过时间；再然后单色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，然后聚焦在金属纳米元件待照射位置上，金属纳米元件受激发由于表面等离激元特性产生光热效应，发生熔化或焊接过程。

所述的金属纳米元件待照射位置处于待焊接位置附近，具体的待照射位置与待焊接位置的距离范围在50纳米-1500纳米。

所述的连续激光器输出单色激光的工作波长为单个波长，范围为400纳米-1500纳米。

在单色激光经过显微物镜聚焦照射在金属纳米元件之前，需要先调节单色激光照射在金属纳米元件上的有效功率，具体的：在显物镜和金属纳米元件之间设置旋转镜，将经过显微物镜聚焦的单由色激光旋转镜反射至功率计，再调节光束衰减器使得功率计显示的有效功率范围在100毫瓦-300毫瓦；然后撤掉旋转镜，使得单色激光照射在金属纳米元件上。

所述的快门控制激光通过的时间范围为0.1秒-1秒，通过调节显微物镜和金属纳米元件之间的距离使得聚焦在金属纳米元件上的光斑束腰半径范围为0.1微米-1微米。

所述的分束镜的另一侧设置有显微镜透镜组，显微镜透镜组上端设置有CCD，CCD用于显示传感器获取的纳米结构图。所述的金属纳米元件的形状为线状、颗粒状、带状或片状，优选为线状；

所述的金属纳米元件设置在基底层上，且基底层的熔点高于金属纳米元件熔化时的熔点。

所述的纳米焊接过程，其原理在于金属纳米线受光照后发生局域表面等离激元共振，产生强的光热效应，光斑中心的位置决定了金属纳米线表面峰值温度的位置，当峰值温度接近金属纳米线熔点时，金属纳米线发生表面熔化；同时由于温度梯度的作用，熔化了的部分纳米金属在金属纳米线与线之间重新凝固，而形成了可以被观察到的焊接现象。

本发明提出的基于光热效应的单点纳米焊接技术，主要应用方面如下：(1)纳米焊接技术对提升纳米器件光学性能和机械性能具有很大的潜力，比如通过纳米焊接可以提升金属纳米线路由器的耦合效率；(2)利用激光的直写特性可以在避免对周围纳米结构破坏的同时对纳米元件进行组装，提升了操控能力，可以进一步构建更复杂的纳米复合结构。

本发明有益效果如下：

激光焊接快速，非接触式，可以灵活控制焊接的位置，而且对于基底的损伤性较小。本发明中提出的局域光热效应是以银纳米线为支撑，具有很大的可替代性。即同样的方法适用于纳米棒、纳米片等其他结构，具有焊接复杂纳米结构的潜力。尤其是对同一个相似结构(比如直径、长度差不多的纳米线)上引入不同空间分布的热源可以产生丰富的热致形变结构或表面熔化结果，具有很高的拓展性，而焊接过程本身又提升了纳米结构的光学性能和机械性能。

附图说明