CN101224869A - 基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米技术领域的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，具体为：选择原子力显微探针、焊锡材料和焊接模式；采用原子力显微镜找到要焊接纳米元件，即对拟焊接点准确定位；在探针上蘸取焊锡后，原子力成像扫描找到原位即第二步中选择的纳米器件，并记录高度图像，缩小扫描的范围锁定在纳米元件要焊接的部位，在原子力显微镜探针上施加偏压，使探针接触到纳米元件表面，保持扫描，实施焊接，焊接完成后，去除偏压返回正常的原子力显微镜成像状态，检测焊接结果，并记录焊接结果；重在纳米元件上实施多处纳米焊接，并记录焊接的结果。本发明是对纳米元件实施的一种定位准确的、焊点尺寸可控的、自动化程度高的、普适性强的纳米“锡焊”技术。

Description

基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法

技术领域

本发明涉及一种纳米技术领域的焊接方法，具体是一种基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法。

背景技术

近年来纳米材料制备及器件化研究一直吸引着不同领域研究者的兴趣，尤其是纳米器件的研制更是引起了人们的广泛关注，已逐渐成为纳米技术研究的主要领域。到目前为止，人们已经开发了多种方法合成出了具有不同组成的、形状和大小可控的纳米元件，如纳米球、纳米多面体、纳米线和纳米棒，纳米管以及纳米片等。通过对纳米元件和基底材料表面的功能化，成功地使纳米元件在基底表面特定位置组装成各种不同的图案。然而，现行的“自下而上”的纳米器件制造技术须克服诸如纳米元件合成、纳米组装以及纳米元件和组装体与外界的有效连接等一系列技术难题。虽然纳米光电子器件和纳米传感器等的研究时有报导，但由于上述技术瓶颈使得这些器件和传感器的性能极不稳定，重复性很差，这极大地制约了对纳米材料和器件性能的深入研究和实际应用。

经对现有技术的文献检索发现，为了解决这一技术难题，人们已经尝试了不同的纳米焊接技术，如Banhart等在《Nano Letter》(纳米快报)(2001，1，329-332)发表了“The Formation of a Connection between Carbon Nanotubes in anElectron Beam”(采用电子束实现纳米碳管间连接)，通过电子显微镜所产生的电子束(焊枪)与存在于电子显微镜真空腔内或附粘在碳纳米管表面的极微量碳氢化合物(“焊锡”)反应形成石墨或无定形碳的方法，在不同碳纳米管之间形成了有效的焊接点，但是，由于电子显微镜真空腔内或附粘在碳纳米管表面的碳氢化合物数量的不可控性等极大地制约了该方法在纳米焊接中的普遍使用。最近，X Duan等在《J.Am.Chem.Soc.》(美国化学会)上(2005，127，8268-8269)发表了题为Nano-Welding by Scanning Probe Microscope(基于扫描隧道显微镜实施的纳米熔焊技术)，该技术采用电扫描探针技术使承载有碳纳米管的硅基底表面快速氧化形成二氧化硅的方法，成功地将碳纳米管熔焊(welding)在硅基底表面上。然而，该方法仅能适用于可氧化的基底材料以及基底和所要焊接的纳米材料的氧化还原电势相差较大的体系，同时，由于熔焊(氧化)所引起的局部化学和物理性能的变化也将势必会影响器件的整体性能。

发明内容

本发明针对现有纳米焊接中存在的问题，提供一种基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法。本发明利用原子力显微探针作为纳米锡焊的“焊枪”，选用溶胶、金属纳米粒子前躯体、盐溶液、导电聚合物单体或可光分解的金属有机酸盐作为“焊锡”，对纳米元件实施的一种定位准确的、焊点尺寸可控的、自动化程度高的、普适性强的纳米“锡焊”技术。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，采用现有技术，根据实施焊接的纳米元件和基底材料的物理性质，选择原子力显微探针、焊锡材料和焊接模式。

所述选择原子力微探针原则是指：对于基底表面经硅烷化和表面修饰有有机聚合物的纳米管或纳米线，选择力常数较小的NSC-18或NSC-35(美国Veeco公司生产)探针，基底为单晶硅片，金、银纳米线纳米管或纳米管为焊接元件，可以选择NSC11(美国Veeco公司生产)探针。

所述原子力显微探针可以是单根探针，也可以是阵列探针，实施焊接和成像的针尖可以是同一根探针也可以分别是两种不同的探针。

所述选择焊锡材料，是指：焊锡是同质焊接，选用与纳米元件组成相同的物质作为焊锡实施焊接。在本发明中可供选择的焊锡范围较广，具体可以是金属纳米颗粒溶液、半导体溶胶、导电聚合物单体、银氨溶液、或可光降解的金属有机盐溶液等。比如采用ZnO溶胶作为焊锡来焊接ZnO纳米线，TiO₂溶胶作为焊锡焊接TiO2纳米管，这样既保证了组成纳米器件的物质的单一性，又可以保证了焊接元件、基底与焊锡的良好结合。

所述纳米颗粒溶液，可以是颗粒直径在5nm以下单分散金、银和铂等金属纳米颗粒溶液。

所述半导体溶胶可以是TiO₂或ZnO等半导体溶胶。

所述导电聚合物单体可以是吡咯、噻吩或苯胺等。

所述光降解的金属有机盐溶液是聚丙烯酸铂或钯盐溶液等。

所述选择焊接模式，包括接触式和非接触式两种，对于基底表面经硅烷化和表面修饰有有机聚合物的纳米元件可以选择非接触模式。

第二步，采用原子力显微镜(AFM)找到要焊接纳米元件，并记录纳米元件的高度图像，对拟焊接点进行准确定位。

第三步，在探针上蘸取焊锡后，原子力成像扫描找到原位(即第二步中选择的纳米器件)，并记录高度图像；缩小扫描的范围锁定在纳米元件要焊接的部位，在AFM探针上施加偏压，使探针接触到纳米元件表面，保持扫描3min-5min，实施焊接，焊接完成后，去除偏压返回正常的AFM成像状态，检测焊接结果，并记录焊接结果。

第四步，重复第三步在纳米元件上实施多处纳米焊接，并记录焊接的结果。

与现有技术相比，本发明的优点在于定位准确、普适性强(针对于基底材料和纳米元件而言)、无损伤、程序控制，从而有利于产业化。以AFM探针作为纳米水平的“焊枪”，可以根据需要焊接的纳米元件和基底材料的特性选用不同的“焊锡”，可对多种具有重要应用前景的纳米线(纳米管)实施无损纳米锡焊。

附图说明

图1为采用AFM扫描探针实施纳米锡焊的示意图，其中a为微电极，b为硅基底，c为纳米元件(纳米管、纳米线)，d为AFM探针，e为焊锡。

图2以ZnO溶胶作为焊锡采用AFM探针作为焊枪在硅片上实现2×2点阵焊点示意图

图3以ZnO溶胶作为焊锡采用AFM探针作为焊枪对氧化锌纳米线实施焊接示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为采用AFM扫描探针实施纳米锡焊的示意图，其中a为微电极，b为硅基底，c为纳米元件(纳米管、纳米线)，d为AFM探针，e为焊锡。以下详细描述实施例的实施过程。

实施例1：以ZnO溶胶为焊锡，在硅片上实施纳米焊接得到2×2阵列

(1)焊锡的制备：以Zn(OAc)₂·2H₂O作为氧化锌的前驱体。把Zn(OAc)₂·2H₂O溶解于异丙醇中，在稳定剂二乙醇胺作用下滴加微量的二次蒸馏水，充分搅拌水解后，制得透明的ZnO溶胶，溶胶的溶度为0.5mol/L。

(2)纳米焊锡蘸取：用移液枪取10μL上述的氧化锌溶胶，滴在新解理的云母片上，AFM探针蘸取焊锡，针尖静置5分钟。

(3)焊接实施：采用接触模式成像技术，在预先处理过的硅片上选择一定区域成像，并记录图像。把缩小扫描范围至50nm，然后在探针上施加一定的偏压，使针尖接触表面，保持扫描速度在1Hz/s，扫描5min实施纳米焊接。焊接完成后，解除偏压，AFM恢复到正常范围扫描检验锡焊的结果，并记录高度图像。

(4)改变扫描中心位置，重复步骤(3)，多次焊接，得到2×2纳米锡焊点阵。如图2给出的是采用单根AFM探针接触模式在硅片上实施2×2阵列ZnO溶胶锡焊。整个操作过程保持室温在20℃，湿度为30％。

(5)焊锡固化过程：焊接完毕的纳米器件转移到恒温真空干燥箱中，120℃，固化3小时，去除溶胶中的有机小分子，并使ZnO溶胶、纳米管和基底三者之间相互物理或化学作用，形成稳固的结点。

实施例2以ZnO溶胶为焊锡对氧化锌纳米线的焊接

焊锡的准备和AFM探针的焊锡蘸取与实例1基本相同。在实施锡焊前首先要检测旋涂在硅片上氧化锌纳米线是否是单根分散的。选取一根氧化锌纳米线作为我们要实施焊接的目标物，得到其高度图像。AFM探针蘸焊锡后，静置20分钟后，AFM扫描找到要焊接氧化锌纳米线，记录高度图像。实施焊接过程仍采用接触模式，具体操作过程如实施例1步骤(3)所述。图3为采用AFM探针对单根ZnO纳米线焊接的AFM图片。从图上可以看到，焊接点定位准确，焊锡的量控制比较好。

实施例3以银氨溶液为焊锡，采用AFM探针非接触模式实施纳米焊接

以传统的银镜反应为理论依据，技术实施上引入气相反应简化了实际操作。

具体实施过程如下：

(1)焊锡的制备：将2％的NH₄OH水溶液逐滴加入到2％的AgNO₃溶液中，得到银氨溶液，用NaOH调节pH至10，作为纳米焊接的焊锡。以硅片为基底，放置在硅片上的单分散的单壁纳米碳管为焊接对象，AFM轻敲模式成像对拟焊接的纳米碳管成像。

(2)纳米焊锡蘸取：选择NSC11针尖为焊枪，蘸取适量的焊锡(银氨溶液)后，静置3分钟，轻敲模式下成像，找到原纳米碳管。

(4)焊接：在纳米碳管的需要焊接部位上定位，在针尖上施加偏压使针尖接触到表面，扫描范围减小到100nm，保持扫描状态5分钟，去除偏压，重新进针，切换到正常扫描状态，扫描检测锡焊的结果。

(5)重复操作(4)在碳管上焊接两点后，把已经焊接上的样品迅速转移到预先装有8％甲醛溶液培养皿中，样品悬放在甲醛溶液上方，置于甲醛的气氛中密封后放入恒温恒湿培养箱中，保持温度在25℃，反应时间在3h，取出后100℃下真空干燥4h。AFM找到已焊接的纳米管，并记录高度照片，实现无损纳米锡焊。

Claims (10)

1.一种基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步，根据实施焊接的纳米元件和基底材料的物理性质，选择原子力显微探针、焊锡材料和焊接模式；

第二步，采用原子力显微镜找到要焊接的纳米元件，并记录纳米元件的高度图像，对拟焊接点进行准确定位；

第三步，在探针上蘸取焊锡后，原子力成像扫描找到原位即第二步中选择的纳米器件，并记录高度图像，缩小扫描的范围锁定在纳米元件要焊接的部位，在原子力显微镜探针上施加偏压，使探针接触到纳米元件表面，保持扫描，实施焊接，焊接完成后，去除偏压返回正常的原子力显微镜成像状态，检测焊接结果，并记录焊接结果；

第四步，重复第三步在纳米元件上实施多处纳米焊接，并记录焊接的结果。

2.根据权利要求1所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述选择原子力显微探针，是指：对于基底表面经硅烷化和表面修饰有有机聚合物的纳米管或纳米线，选择力常数小的NSC-18或NSC-35探针，对于基底为单晶硅片，金、银纳米线、纳米管或纳米管，选择NSC11探针。

3.根据权利要求1或2所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述原子力微探针是单根探针，或是阵列探针，实施焊接和成像的针尖是同一根探针，或分别是两种探针。

4.根据权利要求1所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述选择焊锡材料，是指：焊锡是同质焊接，选用与纳米元件组成相同的物质作为焊锡实施焊接，具体是金属纳米颗粒溶液、半导体溶胶、导电聚合物单体、银氨溶液、或可光降解的金属有机盐溶液。

5.根据权利要求4所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述纳米颗粒溶液是颗粒直径在5nm以下单分散的金、银或铂金属纳米颗粒溶液。

6.根据权利要求4所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述半导体溶胶是TiO₂或ZnO半导体溶胶。

7.根据权利要求4所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述导电聚合物单体是吡咯、噻吩、苯胺。

8.根据权利要求4所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述光降解的金属有机盐溶液是聚丙烯酸铂或钯盐溶液。

9.根据权利要求1所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述选择焊接模式，包括接触式和非接触式两种。

10.根据权利要求1所述的基于原子力显微探针为焊枪的纳米锡焊方法，其特征是，所述保持扫描，其保持时间为3min-5min。

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