[发明专利]一种基于能量的纳米焊接方法

说明书

本发明公开一种纳米焊接能量控制方法。具体来说，是在加工过程中，保持电压和电流的乘积恒定不变。电压电流的乘积决定单位时间能量的大小，因此该方法是一种以能量为控制目标的纳米焊接控制方法。由于加工过程中探针表面的原子得到的能量不变，因此场蒸发过程也是稳定的，得到的沉积点大小均匀。该方法可以有效提高纳米沉积加工过程中的重复性和精确性，并且操作简单。

技术领域

本发明涉及纳米加工领域，具体的说是一种通过控制加工过程中的电场能量，使加工结果更加稳定和精确。

背景技术

纳米焊接是纳米器件加工中的重要技术手段。纳米器件是由纳米材料构成的电子器件，比如各种气体传感器，生物传感器，场效应晶体管等等。纳米器件具有优异的性能，比如库仑阻塞效应等。但是目前纳米器件还没有实现广泛的应用。这是因为纳米器件在加工制造方面还存在各种问题。其中一个就是纳米器件的电连接问题。纳米器件是由纳米材料与金属电极装配在一起形成的，装配之后还存在以下问题：

1. 纳米材料自然搭接在电极上，没有形成良好的固定。

2. 纳米材料与电极间存在很大的接触电阻，影响器件在导电性、抗干扰等方面的性能。

类似于焊接在宏观世界里所起到的作用，纳米器件的加工制造同样需要一种可以实现纳米材料之间可靠固定和电气连接的技术手段。基于原子力显微镜(AFM)的纳米沉积加工可以实现对纳米材料进行焊接。这种方法是在AFM探针上施加一定电压，使探针针尖和样品间形成一定的电场强度。当电场强度超过某一门槛值时，针尖表面的原子便在强电场的作用下脱离针尖表面向样品表面运动，这一过程被称为场蒸发。蒸发原子沉积在样品表面，形成凸起的纳米结构，起到焊接的效果。由于纳观环境下电场的直接观测和控制十分困难，因此实际加工中采用施加电压脉冲的方式来进行。但是电场强度不止与电压有关，还与针尖到样品的距离有关。恰恰是针尖到样品的距离难以精确控制，导致这种加工方法的重复性和可控性不理想，不能保证每次沉积加工都能成功，而且加工的沉积点不均匀。本发明采用能量控制的方式来进行沉积加工，不但可以加工出重复性好、精度高的沉积点，而且可以灵活的控制沉积点的大小。

发明内容

传统的AFM纳米沉积加工方法为在AFM导电探针上施加一定的电压脉冲。这种加工方法的重复性较差，同样的加工电压时而成功时而失败。其原因在于AFM探针是一种弹性悬臂梁结构，针尖易受环境的影响而晃动。尤其是沉积加工电压本身也会在针尖和样品之间形成静电吸引力，也会使针尖位置无法稳定。因此虽然加工电压可以精确控制，但是针尖位置的不确定性使得加工结果重复性较差。

发明人曾将尝试采取措施维持针尖位置稳定，但是在纳观尺度下，针尖位置的观测和维稳都是一项艰巨的任务。因此在深入分析AFM沉积加工原理的基础上，发明人提出了这种能量控制的方法，取得了良好的效果。

AFM沉积加工的原理是AFM探针针尖表面的原子在强电场的作用下获得足够的能量突破势垒，向样品表面运动。因此沉积加工成功的关键是针尖表面的原子获得足够的能量。正是基于这样的认知，发明人创造了这种能量控制方法，不再纠缠于加工电压、针尖位置等参数，直接以针尖表面的原子得到的能量为控制目标。

本发明的技术方案为：

以压电陶瓷作为探针运动的驱动器，以高精密电源为能量输出单元和电流检测单元，以电源输出的能量为控制目标，以动态调节探针位置作为控制手段，实现沉积加工过程中的能量恒定。加工过程主要分两个阶段：能量上升阶段和能量保持阶段。在能量上升阶段，保持电压恒定，通过向下移动探针来逐渐增大加工电流，即逐渐加大加工能量。当能量上升到满足加工要求时，即进入能量保持阶段。在能量保持阶段，要求电压和电流的乘积保持恒定，可以通过动态调整电压、电流和针尖位置这三个参数，实现该目的。

本发明的优点如下：