《中國激光》面向國家重大需求，依托國家重點研發(fā)計劃“增材制造與激光制造”專項“激光高性能連接技術(shù)與制備”項目，組策同名專題，該專題將于2021年第8期正式出版，敬請關(guān)注。

本專題遴選5篇子課題代表作作為“亮點文章”。本文來源于項目骨干成員清華大學(xué)鄒貴生教授課題組撰寫的綜述論文——“超快激光納米線連接技術(shù)研究進(jìn)展”。

一、背景介紹

隨著低維納米材料在高密度、多功能微納光電子器件中的廣泛研究與應(yīng)用，實現(xiàn)低維度下高質(zhì)量材料互連已成為微納器件高性能制造的關(guān)鍵。由于納米材料自身的尺度效應(yīng)及結(jié)構(gòu)限制，傳統(tǒng)宏觀、微觀尺度下的材料互連技術(shù)將難以實現(xiàn)在微納空間上對輸入能量的高精度控制，以降低連接過程中的材料損傷。

本文對基于光激勵下表面等離子激元效應(yīng)和材料非線性光子吸收效應(yīng)的超快激光納連接技術(shù)進(jìn)行了綜述，介紹了一維納米線同/異質(zhì)納米接頭的形成關(guān)鍵過程及影響因素，展示了超快激光納米線連接技術(shù)在微納光電子器件高性能制造中的潛在應(yīng)用。

二、激光納連接技術(shù)進(jìn)展

根據(jù)納米線結(jié)構(gòu)的接頭形成特征，當(dāng)前的連接技術(shù)主要為接觸式與非接觸式兩種（如圖1）。其中接觸式包括采用壓力、超聲焊接的方式對納米接頭進(jìn)行直接處理，或采用納釬焊的方式精確轉(zhuǎn)移釬料至納米接頭處以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)互連。非接觸式主要采用熱處理或高能束輻照的方式以實現(xiàn)材料之間的熔融、擴(kuò)散互連。

但是，由于納連接過程中的接觸特性，對被連接材料的空間定位精度、輸入能量及位置的操控精度要求極高，使得實際的納連接工藝效率受到極大限制。并且直接高輸入能量的連接工藝需要對能量束進(jìn)行高精度的控制與定位，實際操作難度大。因此上述方法將不適用于納米接頭的批量化與低損傷高效連接制造。

圖1 接觸式納連接技術(shù)：（a）超聲焊接；（b）釬焊。非接觸式納連接技術(shù)：（c）電子束焊；（d）激光焊。

光激勵下金屬-介電界面處產(chǎn)生的等離子激元效應(yīng)可對輸入光能在結(jié)構(gòu)中進(jìn)行再分配（如圖2），使納米線交叉部位獲得局域的可控高能量輸入，實現(xiàn)定點材料修飾，降低了材料損傷，以及提高了對輸入能量空間位置操控性，使得批量化納連接制造成為可能。超快激光的引入將帶來相應(yīng)的激光材料加工效應(yīng)，進(jìn)而極大地拓寬了常規(guī)激光納連接所無法實現(xiàn)的納連接材料范圍。

圖2 偏振光激勵下金納米線結(jié)構(gòu)中的能量輸入特征。（上：實驗結(jié)果；下：模擬結(jié)果）

1 常規(guī)激光納連接技術(shù)

常規(guī)的激光納連接過程主要采用連續(xù)激光或長脈寬的脈沖激光，材料對光子的熱平衡吸收與傳導(dǎo)，使得局部納米接頭部位呈現(xiàn)強(qiáng)熱聚集輸入，促使接頭形成。同時由于簡化的光源操作有利于納米接頭的批量化成形，在基于金屬納米線網(wǎng)絡(luò)的透明電極的制造中得到廣泛應(yīng)用（如圖3）。

圖3 銅納米線低損傷透明電極的激光納連接制造

然而受限于材料對光子的吸收特性，該方法僅限于金屬納米結(jié)構(gòu)的互連應(yīng)用，限制了應(yīng)用領(lǐng)域。同時由于急劇的熱聚集效應(yīng)，也對降低承載基體的過度損傷帶來一定的挑戰(zhàn)。

2 超快激光納連接技術(shù)

超快激光由于極短的脈寬和極高的脈沖能量密度，可在較低的平均激光功率下實現(xiàn)納連接。同時結(jié)合等離子激元對能量的重分布特征，使低損傷高效同/異質(zhì)納米線結(jié)構(gòu)互連成為可能，推動了新型納米材料在微納電子器件中的高性能制造與應(yīng)用。

2.1 金屬-金屬納米線結(jié)構(gòu)

韓國浦項科技大學(xué)Dongsik Kim研究組利用脈寬50 fs的飛秒激光輻照PET基體上銀納米線薄膜，實現(xiàn)了納米線接頭的低損傷互連，獲得了透射率接近95%且導(dǎo)電性能優(yōu)異的金屬電極，如圖4（a）。對比納秒激光，飛秒激光由于其“非熱”加工特性，在較大的功率窗口內(nèi)對基板均無明顯損傷。

中南大學(xué)Sun等采用高重頻的脈寬為120 fs的飛秒激光輻照銀納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在較低的激光功率密度下獲得了優(yōu)異導(dǎo)電性能及機(jī)械性能穩(wěn)定的透明導(dǎo)電金屬薄膜結(jié)構(gòu)，如圖4（b）。由于光激勵下的等離子激元效應(yīng)使得材料變化僅限于納米線網(wǎng)絡(luò)的交叉結(jié)構(gòu)，極大地降低了材料的損傷。

清華大學(xué)鄒貴生教授和劉磊副教授團(tuán)隊采用脈寬為35 fs的飛秒激光系統(tǒng)研究了硅基體上單一銀納米線結(jié)構(gòu)的納連接過程，實現(xiàn)了交叉結(jié)構(gòu)與分支結(jié)構(gòu)的可控納連接成形。通過控制激光輸入?yún)?shù)，促使窄間隙的納米線分枝結(jié)構(gòu)接頭處金屬表面原子的定向遷移，實現(xiàn)了無釬料添加的原位間隙自填充，并研究了基于納連接的納米線光波導(dǎo)傳輸性能的優(yōu)化，如圖4（c）。

圖4 飛秒激光銀納米線互連應(yīng)用

2.2 金屬-氧化物納米線結(jié)構(gòu)

加拿大滑鐵盧大學(xué)Norman Zhou教授團(tuán)隊對銀和氧化銅納米線體系的飛秒激光納連接進(jìn)行了研究，激光輻照后在異質(zhì)納米線之間將形成了機(jī)械穩(wěn)定的納米接頭，由于界面處Ag(111)和CuO(111)晶面進(jìn)行了有效匹配，使肖特基勢壘得到極大改善，且電子在納米線結(jié)構(gòu)間的傳輸?shù)玫搅藘?yōu)化。

清華大學(xué)鄒貴生教授和劉磊副教授團(tuán)隊進(jìn)一步對基于等離子激元效應(yīng)的異質(zhì)納米線結(jié)構(gòu)在超快激光輻照下的連接行為進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，包括Ag-TiO2、Ag-SiC、 Ag-CuO納米線結(jié)構(gòu)，以及跨尺度的Ag-TiO2、Au-SiO2@SiC、Au-ZnO等電極-納米線結(jié)構(gòu)。結(jié)合對空間能量的可控輸入，實現(xiàn)了納米接頭形成時對異質(zhì)界面的精細(xì)化設(shè)計與修飾，并基于此開發(fā)出諸多功能電子器件單元如整流單元，憶阻器，電開關(guān)等，同時開展了納米線互連結(jié)構(gòu)器件在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用研究（如圖5）。

圖5 超快激光異質(zhì)納米線結(jié)構(gòu)互連及器件開發(fā)。（a）整流單元；（b）憶阻器；（c）p-n結(jié)；（d）電開關(guān)

2.3 氧化物-氧化物結(jié)構(gòu)

基于氧化物材料在超快激光輻照下對光子的非線性吸收特性，清華大學(xué)鄒貴生教授和劉磊副教授團(tuán)隊進(jìn)一步對無表面等離子效應(yīng)的氧化物-氧化物納米線結(jié)構(gòu)的直接互連進(jìn)行了研究。在ZnO-ZnO與CuO-CuO納米線體系中，由于表面熔化特征而互連形成的接頭將極大保留納米線本身的物理化學(xué)性能，從而對功能性氧化物（甚至半導(dǎo)體）納米線結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)的制造以及其在微納器件中的應(yīng)用成為可能（如圖6）。

圖6 超快激光氧化物納米線連接及光電傳感應(yīng)用

三、 總結(jié)與展望

超快激光納米線連接技術(shù)成功在多材料體系、多材料維度下實現(xiàn)了低損傷高效互連，并且相對于傳統(tǒng)能量輸入的納連接工藝以及常規(guī)連續(xù)激光互連技術(shù)，極大地拓展了可連接材料的選擇范圍，簡化了連接工藝。同時由于低損傷互連，連接構(gòu)造的納米線結(jié)構(gòu)保持了材料自身的光電學(xué)性能，使得結(jié)構(gòu)能夠在諸多潛在的光電子器件（如存儲單元及電開關(guān)）及傳感器（如氣體、光信號及生物介質(zhì)檢測）領(lǐng)域得到應(yīng)用，展現(xiàn)了基于超快激光納連接技術(shù)的巨大潛力。

然而基于超快激光的納連接技術(shù)仍處于起步階段，對超快激光-納米材料的相互作用機(jī)理和材料演化行為仍需深入研究。特別地，仍存在包括強(qiáng)激光輻照產(chǎn)生的局域電磁場下異質(zhì)材料光子吸收特征、物質(zhì)遷移過程、材料融合及異質(zhì)界面形成等亟待研究的共性問題。

總之，超快激光由于其特殊的光學(xué)加工能力，在納尺度材料的互連及成形制造中展現(xiàn)極大的應(yīng)用潛力，并將推動納米材料在微納器件領(lǐng)域的應(yīng)用。

全文鏈接：林路禪, 邢松齡, 霍金鵬, 肖宇, 彭鵬, 沈道智, 劉磊, 鄒貴生. 超快激光納米線連接技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國激光, 2021, 48(8): 0802001

課題組介紹

清華大學(xué)機(jī)械工程系鄒貴生教授和劉磊副教授課題組主要從事激光微納制造、電子封裝與熱管理、焊接與連接等方向研究，主要包括超快激光材料表面微納結(jié)構(gòu)/薄膜圖形化制備和改性、微孔加工、低溫連接高溫服役器件封裝、微納功能器件研發(fā)、新材料和特種材料焊接與連接等。近5年來主持和參與科技部重點研發(fā)計劃專項項目、科技部國際科技合作專項項目、國家基金委重點國際合作和面上及青年項目、企業(yè)合作應(yīng)用研發(fā)項目等10余項。發(fā)表SCI論文130余篇，研究成果在能源、交通、航空航天、信息等領(lǐng)域的微納器件特別是功率器件封裝制造中得到應(yīng)用。鄒貴生教授作為國際焊接學(xué)會（IIW：Institute of World Welding）微納連接委員會(C-VII：Committee on Microjoining and Nanojoining)主席，多年來一直組織和參與IIW C-VII年會、NMJ系列會議（International Conference on Nanojoining and Microjoining）等國際學(xué)術(shù)會議，致力于推動納米連接基礎(chǔ)與應(yīng)用研究并形成了顯著的國際影響。