今年1月，暨南大學和中國科學院的研究人員開發(fā)了一種等離子體增強激光納米焊接技術（PLNS），以提高使用飛秒激光直寫（FsLDW）制造的銀納米線的導電性。該項技術為快速生產(chǎn)均勻靈活和高導電性的大面積金屬納米電極和電容器，提供了一種高效經(jīng)濟的途徑。
FsLDW工藝用于構建用于2D和3D工程圖案的銀納米線，并具有亞微米級的分辨率。這種納米加工方法具有多種優(yōu)勢，包括高分辨率、真實的三維度和靈活性，目前在光電器件制造領域中得到了廣泛應用。
然而，使用這種方法存在一個挑戰(zhàn)。使用FsLDW工藝構建的銀納米線是由銀納米粒子的聚集體組成，其中含有會降低導電性的空隙或聚合物夾雜物。為了增加銀納米線的導電性并降低直寫銀納米線的電阻，研究人員旨在減少間隙并增加銀納米粒子間的接觸面積，從而減少電極中導電電子耗散的能量。
圖1：等離子體增強激光納米焊接實驗系統(tǒng)示意圖
研究人員通過實驗發(fā)現(xiàn)，利用光熱效應可顯著增加相鄰銀納米粒子的接觸面積。對此，研究人員利用了FsLDW制造銀納米線的結構特征，成功通過等離子體增強激光納米焊接提高銀納米線的導電性。在多光子效應下，由納米粒子聚集體組成的納米線會減少。在激光照射下，納米粒子之間還會產(chǎn)生等離子體“熱點”。
銀納米粒子可以在室溫下通過等離子體增強的光熱效應實現(xiàn)焊接。這一過程顯著增加了納米粒子之間的接觸面積，提高了納米線的導電性。與傳統(tǒng)退火不同，在納米焊接方法中，熱量集中在熱點附近，因此不會對基材造成熱損傷。
等離子體增強激光納米焊接系統(tǒng)示意圖和光學實驗裝置如圖1所示。中心波長為532nm、脈沖寬度為8ns、重復頻率為10Hz的脈沖Nd:YAG激光器（Spectra-Physics，Quanta-Ray）用作激光納米焊接的光源。
圖2：銀納米線掃描電子顯微鏡圖像，插圖顯示銀納米線中銀納米粒子的尺寸分布
納秒脈沖激光束通過針孔形成直徑為5mm的光斑，以使激光束整形產(chǎn)生均勻的輻射光場。采用衰減器調節(jié)激光功率密度，利用機械快門控制激光照射時間精確到1ms，以研究激光照射對導電率的影響。
如圖2所示，基于銀離子的多光子吸收誘導光還原，通過 FsLDW 制造了平均尺寸約為30nm的銀納米線。在等離子體增強激光焊接工藝中，納秒脈沖激光對銀納米粒子的吸收會在幾皮秒的時間尺度上引起快速加熱和熔化。因此，相鄰的銀納米粒子在激光照射后接觸并焊接在一起。當幾個納米粒子聚集在一起時，由銀納米粒子的表面等離子共振（SPR）引起的光熱效應可以大大增強。
圖3：等離子體增強電場作為平行和垂直于粒子間軸的光偏振方向的粒子間間隙的函數(shù)
因此，低密度的光集中在兩個相鄰的銀納米粒子之間的間隙處，這些區(qū)域被稱為“熱點”。研究人員對激光與銀納米粒子的相互作用進行建模，等離子體增強電場的數(shù)值計算如圖3（c）所示。
當入射光的偏振方向平行于粒子間軸而不是垂直于粒子間軸時，粒子間的電場顯著增強。銀納米粒子的熱值與局部光場強度成正比。增強的光強度有利于將局部納米焊接溫度提高到室溫環(huán)境下的熔點。
圖1顯示的是等離子體增強激光納米焊接工藝示意圖。通過用532nm激光照射，將由銀納米粒子組成的銀納米線電極放置在蓋玻片上。在激光照射下，由于等離子共振吸收，銀納米線在532nm處具有強光吸收。這種光熱效應可以使納米粒子通過將光能轉化為熱能產(chǎn)生溫度增強。
圖4：隨著激光照射時間增加的PLNS示意圖
隨著溫度升高，納米粒子表面就會發(fā)生熔化或燒結，并通過圖4（ii）所示的等離子體增強光場在粒子間隙處增強。當兩個納米粒子結合在一起時，它們會形成一個“頸部”。銀納米粒子的熔化和燒結過程始于快速“頸部”的形成，然后是由表面擴散驅動的“頸部”生長。最后，銀納米粒子的再結晶導致形成致密的銀納米線，如圖4（iii）所示。
如上圖5（e）所示。在激光納米焊接之前，銀納米線是由單個銀納米粒子組成，并且納米粒子之間存在大量納米間隔，如圖5（ei）所示。激光納米焊接后，納米粒子的熔化導致納米間距的減小和粒徑的增加。隨著納米焊接時間的增加，熔化更加充分，納米粒子緊密連接，如圖5（e-iii）所示。在足夠激光功率的照射下，等離子體增強激光納米焊接工藝可以加速銀納米粒子在特定區(qū)域內(nèi)的聚集，從而形成相對光滑和緊湊的連續(xù)納米線。
圖5：PLNS 過程中銀納米線形態(tài)變化的掃描電子顯微鏡圖像
另外，激光納米焊接技術不需要復雜的后處理，直接提高了FsLDW制備銀納米線電極的導電性。研究人員還研究了激光功率密度和納米焊接時間對銀納米線導電率的影響，發(fā)現(xiàn)當提升激光功率密度或增加納米焊接時間時，銀納米線的電阻會明顯降低。隨著激光照射時間的增加，納米焊接的納米粒子和納米間隙逐漸減少，此時導電率的增加就趨于飽和。
研究人員表示，近年來金屬納米線電極已廣泛應用于光電探測器、柔性電路、觸控面板和其他設備中。除了提高銀納米線的導電性外，納米焊接方法還支持使用FsLDW構建的銀納米電極作為活性表面增強拉曼光譜基板、透明電極、電容器、發(fā)光二極管和薄膜太陽能電池。未來，高性能納米電極將為微電子領域應用發(fā)展，提供更有利的材料性能。
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