陳繼民

北京工業(yè)大學，北京，100124

0 引言

納米線或納米纖維通常指直徑在100nm以下、長度方向沒有限制的一維結(jié)構(gòu)，廣義上也包括納米管線。根據(jù)組成材料的不同，納米線可分為金屬納米線（如Ni、Pt、Au等）、半導(dǎo)體納米線（如InP、Si、GaN等）和絕緣體納米線（如SiO2、TiO2等）。香港科技大學的研究人員利用多孔的沸石晶體作載體，在世界上首次成功研制出直徑只有0.4nm的碳納米管線，幾乎達到了理論極限。電子在納米線橫向受到量子束縛，能級不連續(xù)，這種量子束縛的特性在一些納米線中表現(xiàn)為非連續(xù)的電阻值。這種電阻的量子化在電子、光電子和納電子機械器械中有很重要的作用。納米線可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場發(fā)射器以及用于制造生物分子納米感應(yīng)器等。此外，納米線還表現(xiàn)出比塊材料更好的機械性能，如納米碳管中碳原子間距短、管徑小，使纖維結(jié)構(gòu)不易存在缺陷，其強度為鋼的100倍，密度只有鋼的1/6，如果用它做繩索，則是目前已知的唯一可以從地球拉到月球而不被自重拉斷的繩索。如果把一條P型納米線與一條N型納米線連接在一起，就可以制造出納米PN節(jié)，這樣所有基礎(chǔ)邏輯電路（與、或、非門）都可以由納米線來實現(xiàn)。它還可替代硅芯片，這可能對未來的數(shù)字計算機起重要作用。

1 納米線的制備

納米線的制備方法有許多，大體有以下幾種：①模板法。如碳納米管模板、多孔氧化鋁模板、聚合物膜模板和生命分子模板等。這些模板只是作為模具，具體的納米材料仍需用其他方法得到，常用的方法有電化學沉積、化學氣象沉積、化學聚合、溶膠－凝膠沉積等。如用多孔陽極氧化鋁模板可以制備直徑不同的納米線［1］。②自組裝法。即使用納米顆粒自組裝成納米線。如將Cd Te納米顆粒分散在p H值為9的水溶液中，在室溫下（避免老化）幾天后Cd Te分子自組裝成為晶相納米線。③溶液法。這是使用最多的一種方法。常見的是在溶液中不同分子或粒子進行反應(yīng)，產(chǎn)生固體產(chǎn)物。Zhou等［2］利用 Cd粉和S、Se、Te在有機溶劑中反應(yīng)，制備出納米尺寸的CdS、CdSe、Cd Te等。其他納米線的制備方法有電弧放電法［3］、激光燒蝕法［4］和物理濺射法［5］等。

納米線的制備技術(shù)有的已近成熟，但要利用納米材料制成納米器件就離不開連接技術(shù)，就像工業(yè)產(chǎn)品離不開焊接技術(shù)一樣。如何將這些納米線連接在一起，同時保持納米線的結(jié)構(gòu)不被破壞，這還是一個世界前沿課題，各國科學家對此進行了大量研究。

2 納米線的焊接

宏觀的焊接方法中，無論是電弧焊還是激光焊或電子束焊都是熔化焊。納米尺度下的熔化焊也經(jīng)歷從相變擴散微熔到冷卻的過程。納米熔化焊接的熱源一般有通電焦耳加熱、電子束加熱以及激光加熱等。

2007年Tohmyoh等［6］通過納米操作臺，將納米Pt絲與Au絲搭接后直接通入直流電，由于接觸的區(qū)域很小，接觸電阻很高，通電后（通電電流為4.5m A），局部電阻熱使接觸點熔化，隨后凝固。他們分別對納米線焊接前后的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性進行了測量，可以判斷出納米線已被完全焊接在一起，如圖1所示。從圖1b中可以看到，焊接連接部分非常光滑。

圖1 Pt納米線與Au微米線直接通電加熱焊接

除電加熱外，電子束直接作用在納米線連接部位上，使接頭局部受熱熔化也可實現(xiàn)納米線的焊接。熔化焊可以焊接金、銀、銅、鎳、錫以及硅甚至異種納米線。2005年Xu等［7］使用高能電子束（high intensity electronics beam，HIEB）對納米線進行了焊接。他們首先將三根直徑為10nm的納米金線搭在一起，見圖2a。然后用電子束分別照射搭接處（圖2b三個箭頭處），搭接處最后形成了焊接接頭（圖2c、圖2d），同時其余部分被熔斷，并在碳膜襯底上留下電子束燒蝕的痕跡。整個過程持續(xù)30min。他們還采用電子束對金納米線與硅納米線搭接處照射13min，將金納米線焊接到單晶硅納米線上。這顯示出這一技術(shù)可用于異種材料的焊接，以及該技術(shù)較好的通用性。

圖2 焊接過程

Kim等［8］使用激光進行納米焊接，2005年他們用波長為532nm、單脈沖能量為0.2mJ、脈寬30ps的皮秒綠激光照射碳覆膜納米顆粒10min，發(fā)現(xiàn)碳覆膜的銅納米顆粒已被焊接在一起形成了單一相。從圖3照片中可以明顯看到兩個顆粒直接被融合在一起。Energy－dispersive X－ray（EDX）測量結(jié)果表明，沿著金納米顆粒焊接部位的EDX線密度與金納米顆粒中部的EDX線密度相當，比兩者僅僅是相接觸時高許多倍，說明兩者已經(jīng)形成了金納米顆粒間的人工分子鍵，在一個脈沖30ps的時間內(nèi)，金納米顆粒吸收1000多個光子，足以將接觸點處熔化，因此形成熔化的焊接接頭。

圖3 金納米顆粒之間的激光加熱焊接

相對于熔化焊，釬焊也被應(yīng)用于納米連接上。2006年Ye等［9］使用100nm厚的Sn Pb作釬料，通過一個50nm直徑的金－鎳線將兩個鎳電極連接起來，釬焊之前的電阻高達近10 000Ω，釬焊之后電阻下降到13Ω，說明釬焊接頭接觸良好。Peng等［10］用55nm的金納米線作釬料進行了焊接，他們將納米線擺成一個“人”形，兩個探針夾持的納米線放置在“人”的接頭處（圖4a），焊前先通0.7～0.85m A 電流預(yù)熱1～2min，使釬料軟化，焊接時用0.7～1.0V的方波電脈沖，脈沖寬度為100ms，瞬間電加熱將金納米線釬料熔化，在“人”形交匯處形成焊點將兩個納米金絲焊接成一體。通電后，納米金絲熔化成一個焊點將納米線焊成一體，如圖4c、圖4d所示。圖4e測試電阻表明，有釬料焊點的電阻為600Ω，高于純納米絲的電阻（幾十歐姆）。這一結(jié)果與宏觀的釬焊焊接的結(jié)果是一致的。

圖4 納米金線作為釬料釬焊形成一個“N”形

2008年日本名古屋大學的科學家報道了將多壁碳納米管焊接到Pt探針上的方法［11］。如圖5所示，他們先在鎢探針的表面鍍一層20nm厚的Pt膜，將用放電法制備的多壁碳納米管MWNT沉積在30μm厚的銅電極上。讓鍍有Pt的鎢探針通過多壁碳納米管與銅電極相連，同時讓碳納米管罩住一個Pt納米顆粒。在室溫真空（1×10－5Pa）中通電，Pt納米顆粒將沿著碳納米管移動，Pt納米顆粒移動到Pt探針表面時，與探針上的Pt焊接在一起。這里的多壁碳納米管通過Pt納米顆粒與Pt焊接在一起。

圖5 以納米Pt為釬料焊接碳納米管與Pt探針

除了熔化焊和釬焊，冷焊接也引起人們的關(guān)注。冷焊接是在沒有加熱熔化的固態(tài)條件下，利用原子擴散將物體焊接在一起的焊接。宏觀條件下，冷焊接通常必須施加很高的壓力才能實現(xiàn)。1991年 Ferguson等［12］在《Science》上發(fā)表了納米冷焊接的文章，他們發(fā)現(xiàn)在普通的環(huán)境下，只要有很小的壓力就能實現(xiàn)金納米薄膜的冷焊接。2010年 Lu等［13］在《Nature》上報道了他們采用冷焊接技術(shù)將兩個納米金線連接在一起的結(jié)果。如圖6所示，他們在室溫和高真空環(huán)境下，直接將兩個納米線頭對接或側(cè)面搭接接觸，利用納米尺度下原子間的結(jié)合能自發(fā)完成冷焊接。整個過程不需加熱，從納米線接觸到焊接過程完成僅需38s。接頭處的晶體取向、強度與導(dǎo)電性均與納米線的其他部分相同。隨后拉斷，斷裂的部位明顯不在焊接的接頭處，這說明接頭已完全焊在一起。他們還利用該技術(shù)將不同的金屬納米線（如納米金線與納米銀線）焊接在一起。

圖6 兩根納米金線自發(fā)完成冷焊接及拉斷情況

我國科學家在納米連接技術(shù)領(lǐng)域也取得了令人矚目的成果。2005年，Duan等［14］發(fā)表了用掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope，SPM）進行納米點焊的論文。他們在硅與SPM之間通電，在硅表面形成SiOx，由于SiOx的密度遠低于硅，氧化物在真空中擴散并生長。于是單壁碳納米管（single－walled carbon nanotube，SWNT）被固定在SiOx上。SPM針尖與SWNT接觸后，通以10～18V電壓將SWNT與硅點焊在一起（圖7）。

圖7 掃描探針顯微鏡SPM實現(xiàn)納米點焊示意圖

2006年Chen等［15］使用超聲波焊成功地將納米碳管焊接在兩個電極上，并制備了納米器件場效應(yīng)晶體管（field effect transistors，F(xiàn)ET），如圖8所示。之后，他們又對納米場發(fā)射器件的性能進行了研究［16－17］。

圖8 超聲波焊接示意圖（電極材料：Ti；電極尺寸：0μm×40μm×300m；焊接頻率：60k Hz；焊接壓力：78.4mN）

She等［18］于 2007 年 采 用 ND：YAG 波 長1064nm，脈寬為1ms的激光將 W18O49納米線點焊在一起，并對焊接接頭進行了彎曲試驗，當彎曲角度大于17°時，納米線折斷，斷點不在點焊接頭處，如圖9所示。2009年Jiao等［19］利用原子力顯微鏡（AFM）對碳納米管進行了焊接，仿真研究了探針電場的強度分布，解釋了焊接中電場產(chǎn)生的機理 。

圖9 YAG激光點焊納米線彎曲試驗

2012年美國斯坦福大學的研究人員在《Nature》上發(fā)表了關(guān)于納米焊接的最新研究成果［20］。他們只使用鹵素鎢燈照射就可將銀納米線“焊”在一起，但由于鎢燈能量不均，有些焊點被“照”斷了（圖10）。他們還介紹了用這種方法制造由銀納米線組成的導(dǎo)電網(wǎng)格。當兩條納米線呈十字鋪在一起時，在納米線相遇的地方，光照會產(chǎn)生等離子體激元波，制造出一個熱點。然而，當納米線熔接在一起后，熱點就消失了。在此過程中，電線其他部分以及同樣重要的基礎(chǔ)材料都不會受到影響。這種精確加熱大大加強了對納米材料進行焊接的控制以及速度和能效控制。

圖10 燈光照射焊接銀納米線

3 結(jié)語

綜上所述，納米連接技術(shù)還處于探索階段，如何能方便快捷地實現(xiàn)納米連接，還有很多值得探索和研究的問題。在納米尺度下，不論是熔化焊還是冷焊接，其連接的機理都與宏觀焊接有巨大差異，這也是需要深入研究的?？傊?，納米制造是實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)、器件、系統(tǒng)批量化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。而納米連接是納米制造的關(guān)鍵技術(shù)。在21世紀，納米制造將成為世界發(fā)達國家高技術(shù)競爭的制高點。解決了納米的連接問題，今后用納米線（管）做出的納米器件可組裝成納米機器人，生物分子馬達、納電動機、蚊子飛機、螞蟻坦克等才有可能進行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

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