随着新型材料特别是纳米材料在柔性多功能微纳光电子器件中的广泛应用,实现低维度下高质量材料互连成为了微纳器件高性能制造的关键。针对纳米材料自身的尺度及结构限制,传统宏观、微观尺度下的材料互连技术将难以实现在微纳空间上对输入能量的高精度控制,进而难以降低连接过程中的材料损伤。本文对基于光激励下表面等离子激元效应的超快激光纳米线连接技术进行了综述,分析了激光-材料相互作用过程中的等离子激元效应在纳米结构中的产生及分布特征,对光辐照下纳米线结构中的空间能量重分布及相应的控制策略进行了总结。同时,本文分别针对金属-金属纳米线、异质金属-氧化物/半导体纳米线以及跨尺度的纳米线,阐述了超快激光纳连接过程中的能量输入、材料损伤特征以及纳米接头的形成。最后,针对纳米线连接得到的低损伤纳米线结构,探索了超快激光纳米线连接技术在微纳光电子器件单元制造中的潜在应用。

纳米科技的快速发展对组装纳米结构单元并实现具有复杂功能系统的技术提出高的要求,而纳米材料的互连是这项技术的基础,也是纳米级产品集成的基础。本文综述了纳米连接领域的最新进展,特别是各种同质和异质纳米材料之间的互连机理。首先,介绍了纳米材料的互连概念,重点论述了在同质纳米材料烧结互连、冷焊互连、辐照互连以及液相环境中的纳米互连的行为过程和连接机理,涉及零维和一维纳米材料;其次,对金属-金属和金属-非金属两种异质纳米材料的互连机理及应用进行论述;最后,针对当前同质和异质纳米材料互连研究现状,指出纳米材料互连研究面临的挑战并分析其发展前景。

一维纳米材料在微/纳机电系统、柔性透明导电器件、传感器等领域具有广泛的应用。将一维纳米材料装配至指定位置并以特定姿态与纳观或宏观材料形成连接是纳米结构实现功能化、器件化的关键。当前已有多种对一维纳米材料进行位姿调控的方法,根据这些调控方法的原理,将其分为探针法、自组装和光镊法三类,重点介绍了这三种一维纳米材料位姿调控方法的原理与特点。结合一维纳米材料的位姿调控方法与激光连接过程,详细阐述了激光连接一维纳米材料领域的新进展。

研究了金属-氧化物异质材料纳米连接过程中的飞秒激光能量输入特征,实现了纳米材料快速低损伤互连的同时,保证了器件功能的完整性。研究了纳米连接对Pt-TiO₂跨尺度互连结构电学性能调控的影响。实验结果表明:当入射光能量密度为5.02 mJ/cm ²时,纳米线与电极接触区域形成具有稳定结合强度的互连接头。模拟结果显示,飞秒激光辐照一侧产生局部“热点”,增强了接头区域的光学吸收。互连接头的形成,降低了异质界面的接触势垒。同时,基于互连结构模拟神经元突触传递,实现了更加稳定的电学性能调控。

纳米线的空间定位与接头连接对制备和组装高性能的纳米功能单元至关重要,开发新材料体系的高性能互连结构一直是研究重点之一。使用单脉冲能量密度为22.3 mJ/cm ²的聚焦飞秒激光成功实现p型氧化铜(CuO)纳米线之间的互连,聚焦激光能量场会由CuO纳米线的几何效应在接头处产生局域场增强效应,在纳米线接头的界面处发生原子扩散,促使CuO互连结构在施加偏压为10 V的情况下所获得的电流响应强度较连接前提升3个数量级以上,达到与母材相同的水平,基于该结构的光电探测器在功率为25.3 mW卤素灯照射的条件下获得与母材性能一致的电流增幅比值。所得结果为制备基于纳米连接的小型化、高性能和多功能化的纳米线网络单元奠定基础。

采用干法转移方法制备Au电极-CuO/ZnO纳米线异质结构,通过飞秒激光辐照,基于表面等离子激元的能量局域化输入实现了异质结构的纳米连接,改善了异质结构界面的接触状态,促进了载流子传输通道的导通。辐照前后的电学测试结果表明,激光处理后p型和n型纳米线场效应管的背栅调控性能有明显提升。当栅极电压达到±20 V后,二者的电流有明显的夹止趋势。此外,基于CuO和ZnO纳米线的p型和n型场效应管特性,制备了一种p-CuO/n-ZnO纳米线半导体倒相器。结果表明,激光辐照后的倒相器具有稳定的电压调控能力,为自下而上的微纳电子器件组装提供了新思路。

纳米线连接为高性能微纳器件的组装和应用提供了技术手段,但现有的连接方式对于能量输入的空间精度和外部环境要求较高,其工艺窗口较窄。为改善这一问题,以氧化石墨烯(GO)作为中间连接层的纳米线连接方式,通过干法转移制备了碳化硅(SiC)纳米线-氧化石墨烯(GO)薄膜-SiC纳米线的结构,并通过飞秒激光辐照还原氧化石墨烯,降低了SiC和GO之间的势垒,通过层内导电与层间导电的方式形成了更宽的载流子通道,从而显著提升了电流水平。此外生成的还原氧化石墨烯(rGO)纳米膜对SiC纳米线的接头形成了包裹与保护作用,从而使接头部分具有更好的抗辐照和热传导性能,提升了器件的稳定性与使用寿命。最后,利用飞秒激光还原GO薄膜实现了SiC纳米线网络的电性能提升,制备了具有良好响应度和较快响应速度的紫外光传感器及透明柔性导电薄膜等器件。

采用飞秒激光对铜离子前驱体薄膜进行激光直写,原位还原得到铜纳米颗粒并连接形成导电铜微结构。实验研究了激光功率对铜微结构物相成分、微观结构及导电性能的影响。进一步,利用COMSOL仿真软件模拟了飞秒激光辐照下铜纳米颗粒二聚体的电场分布及温度场分布特征,计算了不同功率单脉冲激光对铜纳米颗粒电子温度及晶格温度的影响。仿真结果表明,激光诱导表面等离激元效应可实现对纳米颗粒的局域加热。当激光功率为960 mW时,纳米颗粒热点区域的晶格温度最高为698 K,纳米颗粒出现表面熔化现象,可实现颗粒间的连接。随着入射激光功率的升高,晶格温度升高,颗粒间连接程度提高,与实验结果相一致。

柔性纳米多孔金属材料在柔性传感、柔性储能等领域具有巨大的应用前景。采用脱合金法、等离子体烧结法、热压法制备的纳米多孔金属材料具有较高的弹性模量和屈服强度,不能满足柔性器件的发展需求。为了解决该问题,通过采用高峰值功率的飞秒激光辐照具有良好柔韧性、导电性及抗氧化性银(Ag)纳米线的方法来制备柔性纳米多孔Ag材料。纳米压痕仪测试了柔性纳米多孔Ag材料的力学性能,实验结果表明,柔性纳米多孔Ag材料的力学性能随着飞秒激光辐照功率的增加而增强。此外,X射线衍射仪测试了柔性纳米多孔Ag材料的晶粒尺寸,发现柔性纳米多孔Ag材料的晶粒尺寸随飞秒激光辐照功率的增大而减小。最后,对飞秒激光辐照法、脱合金法、等离子体烧结法、热压法制备的纳米多孔金属材料的屈服强度进行对比分析,当纳米多孔金属材料的晶粒尺寸为50 nm时,飞秒激光辐照制备的柔性纳米金属多孔材料屈服强度最小(0.8 Mpa)。

随着脉冲激光器的飞速发展和成本下降,利用脉冲激光沉积制备高性能薄膜逐渐成为近年来的一个研究热点,被广泛应用于多个领域。本文首先概述了脉冲激光沉积的基本原理和特点;然后从材料体系的角度系统地综述了近年来脉冲激光沉积高性能薄膜的研究现状,详细地介绍了脉冲激光沉积制备的金属薄膜、合金薄膜、碳薄膜、化合物薄膜以及复合薄膜的工艺、结构、形貌和性能特点,继而对薄膜沉积技术在光电、新能源、生物、超导、电子封装等重点和新兴领域的应用现状进行介绍;最后对脉冲激光技术制备高性能薄膜进行了总结和展望。

电子产业的快速发展使电子封装面临新的问题和挑战,功率密度的不断提高和应用领域的不断拓展要求电子器件具有更高的服役温度。纳米金属颗粒焊膏凭借其优越的电热性能和“低温连接、高温服役”的特点已成为电子封装连接材料的重要发展方向。从纳米金属颗粒焊膏的烧结机理、组成成分、技术工艺发展过程等方面阐述了近年来焊膏烧结技术的发展情况,讨论了现有国内外研究的优势和不足,并结合烧结后接头的可靠性测试方案和结果,指出了现有研究在高温高功率下应用的失效机理及未来纳米金属颗粒焊膏烧结技术的发展方向,这对纳米金属颗粒焊膏在电子器件封装领域的大规模应用及第三代半导体产业在国内的快速发展具有重要意义。

电性能优良且成本低廉的铜微纳结构在柔性电子领域中展现出广阔的应用前景。激光直写因其快速灵活且可控性高等优势,成为铜微纳结构的高效加工方法之一。概述了微纳结构激光加工的技术特点,随后针对激光直写铜微纳结构展开论述。重点分析了前驱体成分及激光工艺参数对铜微/纳观结构及电性能的影响,探讨了激光直写在铜微纳结构可控制备中的优势。列举了所得结构在柔性电子器件制造中的典型应用场景,分析了典型器件的工作机理。此外,对激光直写微纳结构的未来发展趋势进行了展望。

硬脆和复杂结构材料上的微孔加工是超快激光的主要应用之一。超快激光微孔加工的质量和加工效率受单脉冲能量、频率、脉宽、偏振等光束特性以及加工方式、被加工材料、辅助方式等多个因素的综合影响。不同的工艺参数组合将导致不同的孔圆度、孔锥度、加工缺陷以及侧壁和孔边缘的表面质量,对工艺参数进行研究是超快激光微孔加工的核心问题之一。本文从光束特性、加工及辅助方式、材料特性等方面综述了目前超快激光微孔加工工艺的研究进展,总结并对比了不同研究中对同一工艺参数的研究结果。最后,提出了目前研究存在的不足并展望了今后提升效率和加工质量的方向。

纳米银焊膏能够实现低温连接、高温服役,同时具有优异的导电、导热性能,其缺点是非常容易发生电化学迁移。本文采用脉冲激光沉积成功制备了完全互溶的Ag-10%Pd纳米合金,并将其用于SiC芯片的封装互连,旨在提高纳米颗粒烧结层的抗电化学迁移能力,同时保持纳米颗粒的低温烧结特性。研究表明,采用Ag-10%Pd纳米合金烧结连接SiC芯片及镀银的直接覆铜基板(DBC),在250 ℃的温度下可以实现剪切强度为21.89 MPa的接头,达到了美国军标MIL-STD-883K的要求(7.8 MPa)。Ag-Pd纳米合金抗电化学迁移能力是同等条件下纯银的4.3倍。在Ag-Pd纳米合金中,银离子的析出受到PdO的阻碍,迁移产物呈云雾状分布,有效延长了电极的短路时间。脉冲激光沉积Ag-Pd纳米合金的烧结避免了传统银、钯颗粒直接混合方法后续高达850 ℃的合金化过程。Ag-Pd纳米合金作为封装互连材料是实现低温连接的有效保证,并有望为功率电子器件的高可靠性封装提供解决方案。

采用脉冲激光沉积方法在待连接母材表面沉积制备无有机物的银微纳颗粒复合薄膜,用该薄膜作为中间层低温烧结连接SiC芯片与金属化陶瓷基板。将连接接头置于大气、真空及氧气含量可控环境进行300 ℃高温存储实验,系统研究了保温环境对接头多孔连接层的组织演变和性能影响规律。结果表明:保温2000 h以内,接头在室温下的剪切强度均高于20 MPa且明显高于美国军标。大气环境保温0~400 h期间,连接层内部孔隙逐渐聚集并导致组织致密化,接头强度提升;保温400~2000 h期间的孔隙聚集与扩大导致孔隙率明显增加,强度逐渐下降。真空环境对连接层内孔隙演变存在阻碍作用。保温环境的氧浓度提升可加速烧结连接层组织在高温存储过程中的演变进程。

随着微电子器件需求日益迫切,由纳米材料构造的微纳结构在降低尺度并获得特征性能上有着极大的优势。纳连接是从纳米材料构筑微纳结构的有效途径,目前实现纳连接的手段主要包括热烧结、激光烧结等。对比研究了不同连接方法形成的银电极的电学性能及微观结构,并对银纳米材料间的连接机理进行了分析。结果表明,相比于自连接及热烧结,激光烧结在降低电阻率及保持纳米结构方面有着独特的优势,在激光诱导下,银纳米带可在低温下实现互连,形成交联网络结构,从而降低银电极的电阻率,并显著改善其柔韧性。激光烧结电极的电阻率低至1.88×10 ^-7 Ω·m,同时具有较好连接强度,经3000次弯折后电阻变化率仅为21.26%。

孔径和锥度的控制是超快激光微孔加工面临的难点之一,旋光钻孔是控制孔径和锥度的有效手段。因此,针对道威棱镜旋光钻孔系统,首先,从几何光学的角度研究了聚焦后激光出射角度和光斑旋转直径与可平移反射镜位置、楔形棱镜旋转角之间的关系。然后,利用CCD相机分别测量实际光斑在焦平面、焦平面上下±250 μm处的旋转直径,并在厚度为0.5 mm的黄铜板上进行钻孔实验,得到深径比为6∶1、锥度为-2.6°~2.3°的微孔。对比实验得到的微孔出入口直径与CCD相机的测量结果,得到孔径、锥度与光束旋转角之间的关系。结果表明,孔径主要由楔形棱镜旋转角决定,调整可平移反射镜的位置可得到不同锥度的微孔;激光能量的变化会影响材料的去除,因此,焦点位置、激光平均功率以及光斑重叠率也会在小范围内影响孔径和锥度。

纳米操作技术是实现纳米材料位移、排布、形变等操作的关键方法,也是一种“自下而上”制造性能优异的纳米结构及纳米电路的重要技术手段,同时也为新型纳米器件的研发提供了新思路。本文主要对基于扫描探针显微镜、电子显微镜的纳米操作技术以及光镊技术的研究进展进行了介绍及总结,简单阐述了三种操作技术的基本原理及特点,并在此基础上分析了不同操作技术存在的问题,介绍了几种典型的操作系统和操作策略的改进方法,进一步概括了三种操作技术在纳米材料测试及器件制造中的应用。最后针对三种操作技术的优势、适用范围以及目前仍存在的问题进行分析与总结,探讨了三种操作技术的适用范围,并对不同操作技术的结合进行了展望。

碳纳米管因其独特的电学特性及一维纳米结构成为取代硅材料的重要电子材料,利用碳纳米管制备的微纳米电子器件具有尺寸小、响应快、功耗低等优点,但如何实现碳纳米管与金属电极之间可靠及有效的连接一直是构筑碳纳米管电子器件的难点与重点。针对该问题,首先,采用飞秒脉冲激光辐照技术诱导多壁碳纳米管与不同金属电极(金、镍)产生不同形式的连接;然后,通过测试互连前后多壁碳纳米管与金属电极之间的伏安特性曲线和界面接触电阻验证了该连接方法的可重复性及有效性,为后续大规模制备高性能碳纳米管场效应晶体管提供了一定的基础。

我国航空、航天等领域的发展推动着全光通信、光信息处理等技术的不断革新。光波导器件作为关键一环,其制备工艺对性能的影响至关重要。超快激光作为一种新型的激光光源,具有极高的能量密度和极短的脉宽,这些特性使得超快激光加工后几乎无热影响区、重铸层等缺陷残留。将超快激光用于制备光波导器件已成为工业界研究的热门领域之一。本文首先阐述了超快激光与常用波导材料的微观作用机理。针对国内外学者利用超快激光制备无源光波导器件的相关研究进行系统综述,详细阐述了光路变换器、功率分配器和波导型透镜等典型无源光波导器件的超快激光制备方法和器件性能;结合当前研究进展和面临的主要问题的分析,对未来超快激光制备无源光波导器件技术的发展方向进行展望。

纳米连接技术是纳米元器件与微系统及宏观系统整合的关键技术之一。稳定的器件性能取决于可靠的纳米互连结构,评估纳米互连结构的力学性能及电学性能对于预测电子器件的失效模式至关重要。本文结合目前不同纳米连接技术及连接界面的特点,对不同材料从单纳米焊接接头到宏观互连结构的电/力学性能特征进行了总结与展望,通过对互连结构焊接及变形机制、焊接强度、疲劳特性及电学性能的探讨,展现了激光诱导等离子体自限性低温焊接在未来纳米器件及柔性电子器件制造中的巨大潜力。

氧化石墨烯的还原与表面结构化有助于提升传感器、储能器等微型电子器件的性能。相比于其他工艺手段,采用飞秒激光辐照方法可以快速实现氧化石墨烯的同步还原和表面纳结构成型。本文首次对比了1030 nm和257 nm两种飞秒激光波长辐照下氧化石墨烯的形貌与结构特征,发现1030 nm激光辐照产生的条纹周期纳结构主要由入射激光与表面等离激元干涉作用而形成,257 nm激光辐照产生的沟槽微纳结构主要归因于光化学作用。通过拉曼测试和电化学阻抗谱分析表明,相比于257 nm激光作用,1030 nm激光辐照下氧化石墨烯还原程度更高,电极反应过程中接触电阻更小且有利于电荷转移和离子的扩散。

随着半导体集成电路的高速发展,不断减小的半导体器件的特征尺寸成为制约电子产业发展的主要瓶颈,进而催生了对新型半导体材料越来越多的需求。碳纳米管因其独特的电学、力学、化学稳定性等成为了理想的下一代电导线材料。然而,在碳纳米管与金属异质电极之间建立可靠且有效的连接较难实现,这使碳纳米管的应用面临着巨大的挑战。针对这一问题,详细概述了碳纳米管与金属电极之间的几何接触形式、界面接触行为、互连技术及其电学性能的最新研究进展。

近年来,纳米线在纳米电子学、纳米光子学、纳米医学和纳米机电系统等领域的应用逐渐广泛,纳米线的连接已经成为未来器件小型化和集成化的关键问题。为了实现良好的纳米线互连,提出了一种基于扫描电子显微镜(SEM)的纳米线-纳米钎料原位互连结构组装、钎焊互连的方法。利用开发的SEM纳米操作平台,实现了直径为100 nm左右的ZnO纳米线与直径为180~300 nm的Ag纳米钎料的同基底互连结构组装。利用SEM聚焦电子束辐照熔融纳米钎料实现了纳米线钎焊互连,利用双探针纳米操作系统对焊接后的纳米线进行电流-电压(I-V)测试,钎焊后的纳米互连结构成功实现电流导通。

实现纳米材料焊接的纳米连接技术不仅是研制高性能纳米器件的关键,还是“自下而上”进行纳米结构制造的重要手段,决定着新一代纳米器件的性能及可靠性。其中,纳米钎焊技术对焊接母材损伤小,可以连接同种或不同种类的纳米材料,并获得优异的力学及电学性能,是纳米连接技术的重要发展方向。基于分子动力学,对纳米颗粒钎料在SiO₂基底上的激光熔融过程进行了仿真分析,分析了激光辐照导致的不同温度下银纳米颗粒的原子构型变化,并探究了钎料熔融过程。为了探讨基底对熔化过程的影响,进一步分析了基底与纳米颗粒之间的接触角、接触长度以及吸附能变化等。研究结果表明:为了获得可靠的纳米互连结点,激光辐照下温度对纳米颗粒与衬底之间吸附能的调控是影响纳米互连结点稳定性的主要因素。该仿真结果为实现激光熔融纳米颗粒的连接提供了参考。