一种碳包覆铜纳米线的低温自焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米焊接技术领域，具体涉及一种碳包覆铜纳米线的低温自焊接方法。
【背景技术】
[0002]纳米材料由于其独特的光学、电学、磁学等物理性质而被广泛关注，科学家和工程师们已经通过各种合成方法可控制备出了多种纳米材料，但是这些纳米材料如果要形成具有一定结构和功能的器件，就必须利用一定的焊接技术将这些材料进行组装。然而由于传统宏观焊接方法无法对纳米尺度的材料进行操作，因此目前纳米焊接技术成为了纳米研宄领域的一个热点和难点问题。
[0003]目前在纳米尺度的连接技术主要有三类，即电子束/离子束辅助沉积(Electron/1n Beam Induced Deposit1n，EBID/IBID)，纳米恪化焊和冷焊。电子束/离子束辅助沉积的原理类似于化学气相沉积制备薄膜材料(Electron/1n Beam InducedDeposit1n, EBID/IBID) (Reyntjens S, Puers R.A review of focused 1n beamapplicat1ns in microsystem technology[J].Journal of Micromechanics andMicroengineering, 2001)。这种方法是将含有被沉积材料的前驱体(通常是含有被沉积元素的金属有机化合物气体，如W(C0)6、PtC7H17、Al (CH3)3等)，从工作腔内的喷针喷射向沉积基底表面的同时用电子或离子束进行诱导照射，这些金属有机化合物前躯体在受到电子束或离子束的轰击后分解，金属元素大量富集在基底上，而挥发性元素(如氧和氢)被真空泵抽走，这些富集的金属元素在离子束的作用下重新化合，形成沉积层。这种方法的优点是可进行高精度定点沉积，但效率较低，价格昂贵，伴随沉积过程会产生无定形碳及表面扩散，而且离子也容易注入到样品内，对样品造成污染。
[0004]纳米熔化焊是通过电流产生焦耳热，将焊料熔化，从而对焊接物体进行连接。一个典型的案例是对碳壳包裹着的铜纳米线两端通电，当电压达到一定程度时，铜纳米线在焦耳热的作用下熔化，进一步增大电压，熔化的铜原子在电迀移的作用下发生定向传输实现纳米焊接(Dong L, Tao X, Zhang L, et al.Nanorobotic spot welding:controlled metaldeposit1n with attogram precis1n from copper-filled carbon nanotubes[J].Nano Letters, 2007)。这种方法的焊接精度高，最小质量流动速率仅为120ag/s，加更大电压时，最快可达到500ag/s，流速随时间变化明显(Golberg D, Costa PMFJ, Mitome M, etal.Copper-Filled Carbon Nanotubes:Rheostatlike Behav1r and Femtogram CopperMass Transport [J].Advanced Materials, 2007 ;用于微 / 纳米焊接的一维锡银二元纳米材料:中国，CN103406685A，2013.11.27)。另一个典型的案例是将一根焊料纳米线放在待焊接的材料上，通过对焊料纳米线两端通电，就会在电阻大的地方(即焊料与待焊接纳米线接触处)产生较多的焦耳热，从而是焊料局部熔化。利用这种方法可以对纳米线进行焊接固定(Peng Y, Cullis T, Inkson B.Bottom-up nanoconstruct1n by the welding ofindividual metallic nanoobjects using nanoscale solder[J].Nano Letters, 2009)o相比于电子束/离子束辅助沉积技术，纳米熔化焊技术的优势在于成本低、污染小、精度高。但是由于这类焊接方法均是在远高于金属材料熔点之上进行的，因此容易对待焊接材料造成一定的损伤；而且难以控制焊料的流动速率，所以该技术依然存在着一定问题。
[0005]冷焊是通过将两根纳米棒/线接触在一起，无需加热或者施加较高应力，便能够于短时间内在常温下将两根纳米棒/线连接在一起，同时纳米棒/线的力学和电学性能不受影响(Lu Y, Huang JY, et al.Cold welding of untrathin gold nanowires [J].NatureNanotechnology, 2010.2.14)。这种方法已经在银/银、金/银和金/金纳米线中成功进行。其优点在于对样品无污染、不需加热、速度快、力学电学性能不受焊接影响。但是，冷焊的缺点在于，这种焊接方式对于样品的清洁程度要求高；样品尺寸要求高，纳米棒/线的直径需要在1nm以下；不能多根一起焊接，难以规模化应用。
[0006]此外，上述微纳尺度焊接技术的共同点是只能在同一时间对有限的连接点进行焊接，不适用于同时对大面积焊点进行高通量焊接，而后者对微纳电子行业的工业化应用是必须的。本专利旨在发明一种可靠的焊接技术，使得纳米焊接可以在远低于材料熔点时实现大范围，多点高通量焊接，由于焊料来自材料本身，因而其质量流速不随时间改变而改变，而且焊点具有优异的力学、电学性能。
【发明内容】
[0007]本发明主要针对目前纳米焊接技术领域的缺点和不足，基于铜原子在加热后发生的扩散现象，提出一种碳包覆铜纳米线的低温自焊接方法，该方法具有工作温度低、流速大范围可调、焊料利用率高且大范围多点同时焊接等优点，有望在柔性电子系统，半导体集成电路、微纳电子器件封装、透明电极等领域广泛应用。
[0008]为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]一种碳包覆铜纳米线的低温自焊接方法，利用水热法合成出表面包覆有碳壳的铜纳米线，当纳米线之间互相搭接形成点接触，在真空条件下加热到块体铜熔点的40% -70%即300°C?725°C时，铜纳米线不会发生熔化，但铜原子通过扩散实现质量传输，在铜纳米线相互接触的地方发生累积，从而在无外加焊料的条件下，实现铜纳米线的相互连接。
[0010]上述所述的一种碳包覆铜纳米线的低温自焊接方法，具体包括如下步骤:
[0011](I)使用原料氯化铜、葡萄糖和表面活性剂十八烷基胺，通过水热法合成表面包覆有碳壳的铜纳米线；
[0012](2)为了防止铜纳米线氧化，将铜纳米线分散保存在有机溶剂中，滴在加热台上，待有机溶剂完全挥发后，在低真空条件下对铜纳米线进行加热，加热温度为300°C?725°C，加热时间控制在几分钟至几十分钟，铜原子通过扩散实现质量传输，在铜纳米线相互接触的地方发生累积，实现铜纳米线的相互连接；通过控制加热温度和加热时间来控制焊点的大小。
[0013]步骤(I)合成的包覆有碳壳的铜纳米线为碳包覆具有五次孪晶结构铜纳米线，其具体的合成过程为:将氯化铜、葡萄糖和表面活性剂十八烷基胺依次加入去离子水中，且三者摩尔浓度分别为:氯化铜为0.0078?0.0234mol/L、葡萄糖为0.0136?0.0408mol/L、十八烷基胺为0.0334?0.1002mol/L，使用磁力搅拌充分混合5h?12h至均匀；再将溶液转移到高压反应釜中