[发明专利]一种利用冷焊接制备不同夹角晶界的方法

说明书

本发明公开一种利用冷焊接制备不同夹角晶界的方法，包括支撑件，支撑件内设置有两弯曲件，两弯曲件相对设置，两弯曲件的一端均与支撑件固接，任一弯曲件远离支撑件的一端通过固定件固接有第一样品，另一弯曲件远离支撑件的一端通过固定件固接有第二样品，第一样品与第二样品对应设置；弯曲件包括热膨胀系数不同的第一金属片和第二金属片。本发明能够实现通过改变双金属片的夹角，控制第一样品和第二样品对接焊合时的角度，能够对冷焊接形成晶界的取向角进行设计；本发明装置最大限度保留聚焦离子束系统的加工视野，不影响样品对接尖端的原位原子尺度观察，同时，该装置也可以实现不同种类材料的对接焊合，制备异类材料晶界。

技术领域

本发明涉及材料变形技术领域，特别是涉及一种利用冷焊接制备不同夹角晶界的方法。

背景技术

由于微纳器件的开发及应用的不断发展，对纳米结构材料以及微纳加工技术提出了更高的要求，相关领域成为目前材料研究开发的热点。研究发现纳米材料变形过程中的结构演变与力学行为与宏观块体材料具有很大区别，这是由于随着材料尺寸的减小，比表面积增大，材料界面在变形过程中的作用越来越突出，因此对纳米材料晶界的研究对于探索纳米材料结构演变，实现纳米材料性能设计是至关重要的。

焊接是一种在材料中制备特定取向角晶界的有效方法，金属在纳米尺度的焊接也是纳米器件自下向上装配的重要技术手段。现有的金属焊接技术一般通过局部加热、加压，使工件与焊料形成熔融区域，通过原子或分子之间的结合与扩散将两种或以上的材料连接成一体，称为热焊接加工，其对加工工艺有较高的要求。但是，由于微纳米器件对材料尺寸与结构非常敏感，热焊接导致的材料损伤、内应力可能影响微纳米器件的性能，因此热焊接技术很难应用于纳米材料加工。因此，冷焊接被认为是一种很有前景的自下而上的纳米制造技术。研究者首先在宏观尺度下发现，块体金属材料在大压应力长时间接触条件下，由于表面原子扩散发生自发的冷焊接。相比于热焊接，冷焊接具有热输入低、应力小，材料无化学变化等优点。Rice大学的Lu Yang等人发现10nm尺度以下的金、银纳米线接触时，即使不施加热和压力，也能够自发地融合起来并形成无缺陷的单晶纳米线；进一步的研究发现，冷焊现象广泛存在于特征尺寸小于10nm的多种贵金属纳米线的焊接中。Houston大学的GuoChuan Fei等人在对多晶金纳米线网的研究中发现，即使在较粗的金纳米线（约100nm）中，也可以发生自发冷焊接，其电性能基本不变。研究者指出应用冷焊接对微纳机电器件进行组装预期能够降低材料局部应力，减少焊接区化学反应，减少甚至消除焊接对微纳器件性能的影响。因此，探究纳米材料冷焊接工艺，对发展下一代先进微纳机电器件是非常重要的。

但是，由于纳米线的提取，定位，对接等过程对样品表征与操作精度要求高，同时纳米线对环境变化敏感等原因，针对纳米线对接焊合的研究存在技术上的困难。目前纳米线冷焊接的研究方法主要分两类，均在透射电子显微镜平台中实现：第一类为拉断-焊接法，一般通过MEMS器件在TEM中将预先固定好的纳米线拉断后再对接实现冷焊接，该方法的优点在于拉断的两段纳米线容易对准，样品制备方便，主要局限性在于很难实现对不同种类、不同取向纳米线的冷焊接；第二类为探针法，一般使用可在TEM极靴内三维方向移动的探针装载一根纳米线，另一根纳米线固定在样品杆载台上，通过控制探针运动实现两根纳米线对接焊合，该方法的优点在于能够实现对不同种类、不同取向的纳米线冷焊接，主要的局限性在于目前的微纳机电技术很难实现该类样品杆的原位双倾，使得研究者难以获取样品变形过程中的结构信息。

因此发展一种能够简化制备流程，降低纳米线提取、定位和对接焊合难度，具有广泛适用范围，同时能够在纳米线对接焊合的过程中保持样品稳定性及原子尺度表征精度的样品制备方法和装置，仍是本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用冷焊接制备不同夹角晶界的方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现通过改变双金属片的夹角，控制第一样品和第二样品对接焊合时的角度，能够对冷焊接形成晶界的取向角进行设计；本发明装置最大限度保留聚焦离子束系统的加工视野，不影响样品对接尖端的原位原子尺度观察，同时，该装置也可以实现不同种类材料的对接焊合，制备异类材料晶界。