一种无缝焊接碳纳米管的方法与流程

本发明涉及碳纳米管，尤其是涉及一种无缝焊接碳纳米管的方法。

背景技术：

微电子器件作为现代信息化和自动化的基础，在尺寸上是越做越小，未来向纳电子器件发展是一个很重要的趋势。随着芯片中器件集成度的提高，单个器件和连接引线的尺寸都将缩小。对于一些传统的金属引线(比如铜、铝等)，当尺寸小到一定程度时将面临一系列的挑战，散热问题和电致迁移作用会对连接引线造成破坏。碳纳米管由于其优异的性能，已经在相关领域受到了广泛关注。它本身的导热率很高，并且sp²碳-碳键可以有效的抑制电致迁移作用的破坏，使之可以承受比普通金属高三个数量级的电流密度。碳纳米管已经被研究人员作为fets和连接引线等进行了很多相关的研究。由此可见，未来电子器件可能从“硅基”向“碳基”发展，进而可能发展成为“全碳”电子器件。

对于碳基或者全碳电子器件来说，碳纳米管之间的互连以及碳纳米管引线断裂后的修复将会是要面临的几大问题。目前针对碳纳米管连接的方法有电子束高温焊接[terronesm,banhartf,grobertn,etal.molecularjunctionsbyjoiningsingle-walledcarbonnanotubes[j].physicalreviewletters,2002,89(7):075505.]、电流加热焊接[jinc,suenagak,iijimas.plumbingcarbonnanotubes[j].naturenanotechnology,2008,3(1):17.]、无定形碳式连接[wangms,wangjy,chenq,etal.fabricationandelectricalandmechanicalpropertiesofcarbonnanotubeinterconnections[j].advancedfunctionalmaterials,2005,15(11):1825-1831.]、金属颗粒桥连式连接[rodríguez‐manzoja,wangms,banhartf,etal.multibranchedjunctionsofcarbonnanotubesviacobaltparticles[j].advancedmaterials,2009,21(44):4477-4482.]等，但都各有利弊。例如有些只适用于单壁或双壁碳纳米管、焊接简单粗糙、需要相应金属颗粒的辅助等等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供不仅可适用于器件中同根碳纳米管烧断后的原位焊接修复，而且可适用于不同管径、管壁数、管径方向和手性的任意两根或多根碳纳米管之间的无缝焊接，具有广泛适用性的一种无缝焊接碳纳米管的方法。

本发明包括以下步骤：

1)选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段，或者任意选取两根不同的碳纳米管；

2)利用聚焦电子束，在碳纳米管端口的空隙处沉积无定形碳以连接两段碳纳米管；

3)利用焦耳加热对连接后的整个结构进行退火，得到高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构，实现碳纳米管的无缝焊接。

在步骤1)中，所述选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段，或者任意选取两根不同的碳纳米管的具体方法可为：原位移动钨针尖，使钨针尖与粘在金丝边缘的一根碳纳米管末端接触，通过在钨针尖和金丝电极两端加电压，施加多次的电流脉冲，使碳纳米管与两端电极连接，然后再对碳纳米管施加一个更大的、合适的电流脉冲，使碳纳米管与两端电极烧断；一段碳纳米管粘在钨针尖上，另一段碳纳米管粘在金丝边缘，作为待焊接的两根碳纳米管，或者再选一根不同的碳纳米管，与粘在钨针尖上的碳纳米管作为待焊接的两根碳纳米管。

所述钨针尖是利用电化学腐蚀法对0.2mm直径的钨丝腐蚀所得，为了寻求钨针尖与碳纳米管之间良好的电学接触，可通常在实验前对钨针尖进行原位清洁处理，在钨针尖和金丝两端加上3v的恒压，移动钨针尖去靠近金丝边缘，当钨针尖和金丝接触时，钨针尖尖端瞬间熔成光滑的球状，表面污染物被清理掉；所述金丝是用于另一端电极和粘附碳纳米管的基底，直径为0.25mm，前端用钳子夹成扁平状，再将前端边缘剪掉，得到较平滑的前端边缘；所述碳纳米管可通过用金丝前端去刮蹭碳纳米管的粉末来准备样品，即会有许多碳纳米管粘上并从金丝边缘伸出，一端悬空。

在步骤2)中，所述利用聚焦电子束，在碳纳米管端口的空隙处沉积无定形碳以连接两段碳纳米管的具体方法可为：

(1)移动钨针尖的位置，使通过步骤1)获得的两根碳纳米管待焊接的端口处于同样的高度，且端口之间留出适当距离的空隙；

(2)使用合适spotsize的电子束，将电子束聚焦在一端端口，控制束斑大小，一段时间后在端口处沉积出尺寸与碳纳米管管径一致的无定形碳纳米点，当端口处一旦开始沉积出无定形碳纳米点时，缓慢匀速地向另一端口处移动光斑，沿着束斑移动的轨迹会沉积出一小段无定形碳“纳米桥”结构，使两端端口通过沉积出的与管径近似尺寸的无定形碳“纳米桥”连接起来。

在步骤3)中，所述利用焦耳加热对连接后的整个结构进行退火，得到高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构，实现碳纳米管的无缝焊接的具体方法可为：在钨针尖和金丝的两端施加恒压，利用产生的焦耳热对整个结构进行退火，手动调节电压使其逐渐增高，与此同时产生的焦耳热也逐渐增大，使无定形碳以及整个结构的晶化程度越来越高，经过一段时间的焦耳加热之后，使两段碳纳米管端口处的断裂管壁通过连续的管状石墨无缝连接起来，形成了高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构。

本发明通过控制聚焦电子束的移动轨迹进行无定形碳“纳米桥”的生长，使两段碳纳米管连接起来；再通过焦耳加热使整个连接结构进行充分的晶化，最后形成无缝连接的管壁，达到对碳纳米管之间的无缝焊接。两根或多根碳纳米管无论管径方向、管壁数、管径和手性是否相同，都可以利用这种技术进行无缝焊接。由于最后充分晶化的结构，使焊接后的结构与原始碳纳米管的导电性差不多。

与现有的碳纳米管连接技术相比，本发明具有的优点以及技术效果如下：

1)本发明对于碳纳米管的管径方向、管壁数、管径和手性均无要求，除了可以对器件中烧断的同一根碳管进行原位焊接修复之外，还适用于具有不同管径方向、管壁数、管径和手性的任意两根或多根碳纳米管之间的无缝焊接。

2)本发明不是简单地用无定形碳包裹式焊接，而是利用无定形碳“纳米桥”进行搭桥式连接，退火晶化后形成管壁与管壁之间的无缝连接，与完整碳纳米管结构几乎无异。

3)本发明不需要借助其他金属颗粒的辅助完成。

附图说明

图1为本发明实施例的过程示意图。

图2为用钨针尖与粘在金电极边缘并伸出一端悬空的碳纳米管末端接触后的电镜图。

图3为碳纳米管被烧成两段的电镜图。

图4为利用聚焦电子束在端口空隙处沉积无定形碳将两根碳管连接起来的电镜图。

图5为图4中虚线矩形框所标的无定形碳连接处的高分辨电镜图。

图6为利用焦耳加热退火后得到的高度晶化且外层几层管壁连续的碳纳米管结构电镜图。

图7为两根不同管径大小的碳纳米管的电镜图。

图8为对两根不同管径大小的碳纳米管进行无缝焊接后得到的高度晶化且外层几层管壁连续的碳纳米管结构电镜图。

图9为两根不同管径方向的碳纳米管的电镜图。

图10为对两根不同管径方向的碳纳米管进行无缝焊接后得到的高度晶化且外层几层管壁连续的碳纳米管结构的电镜图。

具体实施方式

下面通过几个实例的具体实施和附图对本发明作进一步说明，将对由同一根碳纳米管烧断后的原位焊接修复作详细的实施方法介绍，另外分别对不同管径大小和不同管径方向的两个实施例作简要介绍和附图说明。

1、选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段

本发明提供的一种无缝焊接碳纳米管的方法是在透射电子显微镜中进行的，该方法的过程示意图如图1所示，其中钨针尖电极可以三维移动，金丝电极固定，在电极两端可施加电信号。先原位移动钨针尖，使其与粘在金丝边缘并伸出一端悬空的碳纳米管末端接触，如图2所示。为了使碳纳米管与金属电极的接触变好，接着在钨针尖和金丝电极两端施加多次0～2.5v的脉冲信号，电流限在100μa以下。然后，将电流限流改为1ma以下，在电极两端施加0～3.5v的脉冲信号，碳纳米管即烧断成两段，一段粘在钨针尖上，另一段仍在金丝那边，如图3所示。

2、利用聚焦电子束，在碳纳米管端口的空隙处沉积无定形碳以连接两段碳纳米管

移动钨针尖，使两段碳纳米管待焊接的端口处于同样的高度，且端口之间留出适当距离的空隙。选取合适的spotsize(一般使用6～10)，调节电镜到合适的放大倍数，并使端口处于正焦。调整电子束束斑缩到最小，使其聚焦在钨针尖上的碳纳米管端口处，隔一段时间散开光斑发现在端口处沉积出尺寸与碳纳米管管径近似的无定形碳纳米斑点。然后迅速将光斑再缩到最小，从这一端缓慢匀速地向另一端口处移动光斑，光斑移动的速度要使无定形碳向前持续沉积的速度跟得上。最后光斑移动到另一端口处并在上面沉积出无定形碳时，迅速散开光斑并将spotsize调回到之前拍照模式的状态。两端即通过沉积出的与管径近似尺寸的无定形碳“纳米桥”连接起来，如图4所示。图5是图4中虚线矩形框所标的无定形碳连接处的高分辨图。

3、利用焦耳加热对连接后的整个结构进行退火，得到高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构，从而实现碳管的无缝焊接

用无定形碳“纳米桥”连接起来之后，在钨针尖和金丝两端施加恒压，电流限在100μa以下。将电镜的放大倍数调到630k或者其他可以观察碳纳米管高分辨照片的倍数，用相机实时观察连接结构的变化。先从0.5v开始，然后手动逐渐往上加电压，电流也会逐渐增大，产生的焦耳热会对整个结构进行退火。在加电压的同时要时刻关注电流值的变化以及碳纳米管结构的变化，随着焦耳加热的进行，无定形的结构会逐渐晶化，结构的导电性也会变好，相应的电流也会增大。不同的碳纳米管能承受的电流大小不同，所以一般将电流限在100μa以下，防止晶化过程中结构遭到巨大破坏，视实际情况而定维持多大的恒压来对结构进行焦耳加热(电压一般维持在1.5～2v之间)。经过一段时间的退火之后，原先两段碳纳米管端口处的一些断裂管壁通过连续的管状石墨连接了起来，形成了高度晶化且外层几层管壁连续的碳纳米管结构，如图6所示，从而实现了碳纳米管的无缝焊接。这种无缝焊接的方法最终得到了与原始多壁碳纳米管几乎相同的结构，导电性也差不多。

本发明不仅适用于器件中同一根碳纳米管烧断后的原位焊接修复，而且可用于具有不同管径方向、管壁数、管径和手性的任意两根或多根碳纳米管之间的无缝焊接。在此，分别展示了对具有不同管径大小(图7)和不同管径方向(图9)的两根碳纳米管进行无缝焊接的实例。这两种实例与同一根碳纳米管烧断后的原位无缝焊接修复相比，在具体实施方法上唯一的不同就是在利用大电流烧断碳管之后，在金丝边缘选取新的碳管与粘在钨针尖上的碳纳米管进行原位焊接。焊接的结果如图8和10所示，同样实现了碳纳米管之间的无缝焊接。

本发明在透射电子显微镜中，利用原位操作平台进行相关的焊接。该原位操作平台具有两端电极，一端为可三维移动的钨针尖，另一端是固定的金丝，碳纳米管是粘在金丝的边缘。通过移动钨针尖与碳纳米管接触，在两端电极施加适当的偏压使碳纳米管烧断，在钨针尖上粘上一段碳纳米管。可将由同一根碳管烧断形成的两段，或者任意在金丝边缘另选一根碳纳米管与钨针尖上的碳管，作为待焊接的两根碳纳米管。调整移动钨针尖，使待焊接的两段碳纳米管端口处留有合适的间隙，利用聚焦电子束精确可控地在端口空隙沉积无定形碳进行搭桥连接。之后通过两端施加偏压利用焦耳热使无定形碳晶化，最后与原始管壁形成无缝的焊接。