基于焦耳热的纳米焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于焦耳热的纳米焊接方法，属于纳米加工和测量领域，其技术方案是在真空环境中，两枚金属探针之间施加合适的电压后，让两探针针尖接触，瞬间产生焦耳热，使与其中之一接触的纳米材料熔化或使该探针针尖熔化，从而使该金属探针针尖和纳米材料焊接。利用两次焊接工艺，即先在探针针尖焊接上低熔点纳米材料（Sn和In等），再以该低熔点材料为焊料和目标纳米材料焊接，即可保证目标纳米材料的结构不被破坏。本发明对纳米材料的研究和应用有重要的意义，在纳米材料的操纵、器件构筑和原位电学测量方面有重要的应用前景。
【专利说明】基于焦耳热的纳米焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明纳米加工和测量领域，具体是指一种基于焦耳热的纳米焊接方法及其纳米材料的操纵、器件构筑和原位电学测量方面的应用。
【背景技术】
[0002]纳米材料焊接技术的发展是纳米科学与技术研究领域的重要分支。纳米焊接技术将在纳米材料尤其是纳米材料的操纵、测量和器件制备方面有重要应用。纳米材料具有特殊的电学、热学、力学和光学性能，其中电学特性的研究，一般需用到微纳加工工艺，过程复杂且成本高。近年来，由扫描电子显微镜(SEM)、纳米操纵仪(Nanomanipulators)、电学测量仪组成的原位研究系统(SEM-纳米操纵仪系统)的开发，有望为纳米材料提供一种简单、直观、高效及低成本的电学特性测量方法。但是，基于该系统原位测量纳米材料的电学特性，有一个亟待解决的关键问题，即金属探针与待测材料的非欧姆接触问题。此外，探针与纳米材料(碳纳米管等除外)的结合纯粹依靠范德华力作用较弱，不足以支持对材料进行三维操纵，例如，很难从纳米结构簇中选择性的获取单根纳米结构进行电学特性测量或进行器件的构筑，限制了该系统的应用范围。
[0003]目前，现有技术中采用基于聚焦离子束(FIB)的原位纳米操纵系统，有助于解决以上问题。比如利用FIB在待测材料与探针的接触点原位沉积贵金属如Pt、Pd等，提高材料和探针之间接触点的牢固度。但是，FIB系统有以下缺点:(1)价格昂贵，维护费用高；(2)焊接材料种类有限，考虑功函数的原因，就原位电学测量而言，并不能改善某些材料和探针的接触。
[0004]另外一种工艺是利用扫描电子显微镜-纳米探针系统的电子束诱导沉积(EBID)，该工艺能提高探针和材料接触牢固度的方法，其技术方案是用电子束在接触点长时间辐照，从而沉积上无定型碳[Zhang, Y.L., Li, J., To, S.，Zhang, Y., Ye, X.，You, L.,Sun, Y, Nanotechnology, 2012, 23，065304.] 0该方法能一定程度提高接触点牢固度，但还不足以满足操纵工艺要求，且沉积的无定形碳对于电子传输性能测量方面没有任何作用。目前，一些纳米焊接技术被开发并应用于改善两种金属纳米结构之间的连接。通过牺牲Au纳米结构获得另外两根Au纳米结构的原位热焊接被开发[Y.Peng, T.Cullis, B.1nkson, Nan0.Lett., 2009, 9, 91-96]。东北大学 Tohmyoh 小组原位研究了单根 Pt 纳米结构的“切断”和“焊接”行为，并建立了相关物理模型[H.Tohmyoh, S.Fukui, Phys.Rev.B, 2009，80，155403]。
[0005]目前，基于扫描电镜-纳米探针系统，仍然没有一种简单、可控的方法能够对纳米材料和探针针尖进行焊接。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于焦耳热的纳米焊接工艺，该工艺对金属、半导体纳米结构和探针进行焊接该技术，提高了对这些材料的操纵能力，并改善材料和探针之间的欧姆接触，有利于原位测量材料的电子传输性能。可以广泛应用在纳米材料的操纵、器件构筑和原位电学测量方面。
[0007]为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是在真空中，将待焊接金属探针的针尖和第二金属探针的针尖在待焊接的纳米元件的焊接点接触；并给待焊接金属探针和第二金属探针之间施加电压，构成电路回路，利用待焊接金属探针和第二金属探针相接触的针尖的接触电阻产生的焦耳热，该焦耳热至少使纳米元件的焊接点、待焊接金属探针的针尖、或第二金属探针的针尖之一熔化，从而使待焊接金属探针的针尖与该待焊接的纳米元件在焊接点焊接。
[0008]进一步设置是包括以下步骤:
(1)将待焊接金属探针的针尖与待焊接的纳米元件的焊接点接触；
(2)将第二金属探针和待焊接金属探针之间施加电压，然后将第二金属探针的针尖移动到待焊接的纳米元件的焊接点，使得第二金属探针的针尖与待焊接金属探针的针尖在待焊接的纳米元件的焊接点处接触，构成电路回路；
(3)利用该电路回路产生的焦耳热使得待焊接金属探针的针尖与该待焊接的纳米元件在焊接点焊接。
[0009]研究结果表明，该方式先施加电压再接触，可靠性、效率更高。主要原因在于，如果采用第二金属探针和待焊接金属探针针尖相接触后施加电压，则操纵纳米探针系统移动第二金属探针接触待焊接金属探针针尖时，不可避免地出现微小震动，导致已经接触的待焊接的纳米元件和待焊接金属探针针尖重新分离。当待焊接的纳米元件脱落于待焊接金属探针针尖后，第二金属探针的针尖和待焊接金属探针的针尖之间产生的焦耳热不能传递到待焊接的纳米元件，所以待焊接的纳米元件不会被熔化，更不会与待焊接金属探针焊接。而采用设置，那么第二金属探针和待焊接金属探针的针尖接触的瞬间，局部产生巨大的焦耳热导致待焊接的纳米元件熔化并与待焊接金属探针焊接，焊接后的待焊接的纳米元件不会因为震动与待焊接金属探针脱离。
[0010]进一步设置是所述的待焊接金属探针和第二金属探针的熔点低于待焊接的纳米元件的焊接点的熔点。通过本设置，使得焦耳热首先融化待焊接金属探针或第二金属探针，从而有助于防止待焊接的纳米元件在焊接过程中结构不被因融化而破坏。
[0011]为了保护待焊接的纳米元件在焊接过程中结构不被因融化而破坏，本发明还可以采用以下设置，即在第二金属探针的针尖与待焊接金属探针的针尖在待焊接的纳米元件的焊接点接触之前，将待焊接金属探针或第二金属探针的针尖处焊接上熔点低于待焊接的纳米元件的焊接点熔点的焊料，然后再进行后续步骤。
[0012]进一步设置是该方法是通过安装在扫描电子显微镜中的纳米探针系统中进行的。
[0013]进一步设置是所述的待焊接的纳米元件的形貌为是颗粒、线、带或片状，其包括半导体纳米元件和金属材料纳米元件。
[0014]本申请所施加的电压和电压维持时间，以产生焦耳热能满足焦耳热至少使纳米元件的焊接点、待焊接金属探针的针尖、或第二金属探针的针尖之一熔化为准，一般而言，电压为1-3V。
[0015]上述内容中的第二金属探针和待焊接金属探针之间的电压大小，视情况而定。比如，100 nm直径的银纳米线、100 nm曲率半径的两探针组成的体系，通常两探针间施加1_3V即可瞬间熔化银纳米线。
[0016]第二金属探针和待焊接金属探针的接触点位置很关键，有可能决定焊接是否成功。从原理上分析，施加偏压的两探针接触的瞬间，由于接触电阻远远大于探针本身电阻而在接触点产生巨大的热。两探针、纳米线组成的体系由于处于高真空环境中(扫描电镜样品室)不能通过气体散热，只能通过三者自身扩散。显然，两探针接触点距离目标纳米线越近，则纳米线越容易“接收”到热而熔化，进而形成焊接点。从另一个角度考虑，第二金属探针接触到待焊接金属探针的位置离待焊接金属探针的尖端更近，则两者接触面积越小，电阻越大，根据欧姆定律，瞬间产生更多的热，更有利于焊接的发生，或使纳米线熔化所必需的电压(阈值)降低。
[0017]本发明提出的基于焦耳热的纳米焊接技术，主要应用有三个方面:(1)由于焊接点牢固，纳米线可以随着探针在扫描电镜样品台移动距离和探针系统移动距离的限制范围内任意移动到目标区域，通过机械方法卸在该区域，等待下一步加工、应用；(2)基于该技术提高了操纵能力，可以构筑出各种纳米结构；(3)焊接改善了目标纳米材料和探针之间的接触，降低了电阻，有利于精确原位测量纳米线的电学性能。
[0018]本发明的优点是:能将目标纳米结构和金属探针(针尖焊接起来，则该焊接点比纯粹依靠范德华力结合的接触点要稳定、牢固。显然，该牢固的焊接点有两方面重要应用:
(I)在原位电学测量方面，能改善探针和材料之间的接触，从而减小接触电阻；(2)极大地提高了对纳米材料的操纵能力，基于该操纵技术，能构建各种具有特殊结构的器件(比如十字交叉异质结构)，这些结构是很难通过化学法直接合成的，对于纳米科学与【技术领域】的基础和应用研究有非常重要的意义。
[0019]下面结合说明书附图和【具体实施方式】对本发明做进一步介绍。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1.基于焦耳热的纳 米焊接技术工艺示意图；
图1中(a)在扫描电镜观测状态下，金属纳米线(NW，对应待焊接纳米元件，下同)、探针I (Tl，对应待焊接金属探针，下同)和探针2 (T2，对应第二金属探针，下同);(b)探针I接触纳米线一端；(c)探针2和探针I之间施加合适电压后，移动探针2接触探针I ; (d)两探针接触瞬间，金属纳米线一端熔化并和探针I焊接。
[0021]图2本发明实施例1的工艺图；
图2中，(a)探针I接触目标银纳米线；(2)探针2和探针I施加电压1.5 V后，移动探针2接触探针1，瞬间银纳米线熔化并焊接到探针I上；(b)-(f)转移该银纳米线到需要的位置；
图3本发明实施例2的工艺图；
图3中，(a)类似于焊接银纳米线，把Sn颗粒焊接到探针I上；(b)和(c)移动探针I，使Sn颗粒和目标InAs纳米线接触，探针2和探针I之间施加电压2 V后，移动探针2接触探针I，瞬间产生的焦耳热使Sn颗粒和InAs纳米线焊接在一起；(d)-(f)转移该InAs纳米线到带有标记的Si02/Si基底表面；(g)制备单根InAs纳米线器件；(h)该器件的1-V曲线。
[0022]【具体实施方式】
[0023]下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
[0024]实施例1:如图2所示，基于焦耳热纳米焊接技术，将单根银纳米线和钨探针进行焊接，并把该银纳米线从其团簇中提取出来转移到指定位置。
[0025]具体步骤如下:
Cl)湿化学法合成银纳米线；用0.5 _直径的钨丝为原料通过电化学腐蚀法制备钨针尖。
[0026](2)将制备好的银纳米线分散在乙醇中，并将该混合液滴加到铜样品台表面，放入扫描电镜样品室。
[0027](3)把制备好钨探针安装到扫描电镜样品室内的纳米探针系统，并把探针与外界半导体参数测量系统连接。
[0028](4)扫描电镜样品室抽至合适真空度后，通过纳米探针系统把探针针尖与目标银纳米线的一端接触，如图2a。
[0029](5)在探针I和探针2之间加电压1.5 V，并移动探针2接触探针I尖端部分，瞬间产生的焦耳热使银纳米线一端熔化并与探针I焊接，如图2b。
[0030](6)银纳米线随着探针2转移到合适地方，并利用探针I机械法切断银纳米线与探针2的那一端，使银纳米线固定在指定位置，如图2c_e。
[0031]实施例2:如图3所示，
(O分子束外延法生长InAs纳米线；热蒸发法合成Sn纳米结构；用0.5 mm直径的鹤丝为原料通过电化学腐蚀法制备钨针尖。
[0032](2)把Si基底表面生长的Sn纳米结构放入扫描电镜样品室，把制备好钨探针安装到扫描电镜样品室内的纳米探针系统，并把探针与外界半导体参数测量系统连接。
[0033](3)重复实施例1中的步骤(4)和(5)。注意:只是把目标纳米材料更换为Sn纳米结构，其余实验过程相同。
[0034](4)经过步骤(3)后，探针I端部焊接上了 Sn纳米颗粒，如图3a所示。
[0035](5)操纵带有Sn颗粒的探针,使Sn颗粒和目标InAs纳米线一端接触,并用另一探针接触带有Sn颗粒的探针(两者之间预先施加电压2 V)，瞬间产生的焦耳热使Sn颗粒和InAs纳米线焊接，如图3b和C。因为，Sn熔点远远小于InAs，所以焊接过程中保证了 InAs纳米线结构不被破坏。
[0036](6)将纳米线转移到带有标记(便于加工器件)Si02/Si基片表面，并通过常用的电子束光刻、金属沉积和剥离等工艺加工成器件，如图d-g。
[0037]用常规的半导体参数测量系统测试了该器件的1-V特性，如图3h。
【权利要求】
1.一种基于焦耳热的纳米焊接方法，其特征在于:在真空中，将待焊接金属探针的针尖和第二金属探针的针尖在待焊接的纳米元件的焊接点接触；并给待焊接金属探针和第二金属探针之间施加电压，构成电路回路，利用待焊接金属探针和第二金属探针相接触的针尖的接触电阻产生的焦耳热，该焦耳热至少使纳米元件的焊接点、待焊接金属探针的针尖、或第二金属探针的针尖之一熔化，从而使待焊接金属探针的针尖与该待焊接的纳米元件在焊接点焊接。
2.根据权利要求1所述的一种基于焦耳热的纳米焊接工艺，其特征在于包括以下步骤: (1)将待焊接金属探针的针尖与待焊接的纳米元件的焊接点接触； (2)将第二金属探针和待焊接金属探针之间施加电压，然后将第二金属探针的针尖移动到待焊接的纳米元件的焊接点，使得第二金属探针的针尖与待焊接金属探针的针尖在待焊接的纳米元件的焊接点处接触，构成电路回路； (3)利用该电路回路产生的焦耳热使得待焊接金属探针的针尖与该待焊接的纳米元件在焊接点焊接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于焦耳热的纳米焊接工艺，其特征在于:所述的待焊接金属探针和第二金属探针的熔点低于待焊接的纳米元件的焊接点的熔点。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于焦耳热的纳米焊接工艺，其特征在于:第二金属探针的针尖与待焊接金属探针的针尖在待焊接的纳米元件的焊接点接触之前，将待焊接金属探针或第二金属探针的针尖处焊接上熔点低于待焊接的纳米元件的焊接点熔点的焊料，然后再进行后续步骤。
5.根据权利要求1所述的一种基于焦耳热的纳米焊接工艺，其特征在于:该方法是通过安装在扫描电子显微镜中的纳米探针系统中进行的。
6.根据权利要求1所述的一种基于焦耳热的纳米焊接工艺，其特征在于:所述的待焊接的纳米元件的形貌为是颗粒、线、带或片状，其包括半导体纳米元件和金属材料纳米元件。
【文档编号】B23K31/02GK103586590SQ201310561021
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】张礼杰, 于红斐, 董幼青, 邹超, 黄少铭 申请人:温州大学