本發(fā)明涉及一種在室溫下冷鍵合納米線的方法。屬于先進(jìn)材料和先進(jìn)器件構(gòu)造的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
電子技術(shù)的逐漸發(fā)展以及人們對(duì)電子、電器的功能要求的提高對(duì)電子器件提出了新的要求。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件基于硅半導(dǎo)體工藝，通常具有不耐彎折，不能承受大的機(jī)械沖擊所導(dǎo)致的器件斷裂的問題。隨著近年來柔性半導(dǎo)體器件和可穿戴設(shè)備概念的提出。有研究者提出了“可恢復(fù)電子器件”的概念。用于制備這種器件的材料或者結(jié)構(gòu)需要在應(yīng)用環(huán)境下在遭受大的彎折或者沖擊產(chǎn)生斷裂時(shí)具有可以自連接的功能。這一功能可以稱為“室溫下冷鍵合”，也即區(qū)別于通常意義的高溫融化焊接，該器件結(jié)構(gòu)可以在室溫情況下進(jìn)行電路的重新連接并恢復(fù)其性能。這種器件的制備和使用過程中涉及到的一個(gè)關(guān)鍵過程是納米材料和結(jié)構(gòu)的室溫冷鍵合。目前，有研究已經(jīng)表明，由于納米材料的高比表面積和表面原子的高活性，冷鍵合可以在小尺度的材料中產(chǎn)生。雖然如此，實(shí)際上，由于材料表面結(jié)構(gòu)的特殊性以及表面極易受到雜質(zhì)污染，大多數(shù)材料實(shí)際上難以進(jìn)行冷鍵合。正因?yàn)榇?，目前大多?shù)柔性半導(dǎo)體器件放棄使用“可恢復(fù)電子器件”的概念，轉(zhuǎn)而使用了有機(jī)高分導(dǎo)電聚合物或者半導(dǎo)體聚合物材料，因?yàn)橛袡C(jī)物材料普遍具有好的柔韌性能。有機(jī)物材料制備的柔性半導(dǎo)體器件雖然可以滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合，但是制約其性能表現(xiàn)的材料參數(shù)比如材料遷移率，耐受溫度和電壓，毒性等等使得其廣泛應(yīng)用具有一定困難，為此，目前仍然有眾多研究者研究使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制備可恢復(fù)電子器件，以期能夠滿足更高要求的應(yīng)用。氧化銦錫(ITO)材料目前被廣泛應(yīng)用于透明導(dǎo)電電極中，在柔性電子器件中具有非常重要的地位。如果能夠?qū)ρ趸熷a材料進(jìn)行室溫冷焊接則具有非常重要的實(shí)踐意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明提出一種室溫鍵合ITO納米線的裝置和方法，實(shí)現(xiàn)納米線結(jié)構(gòu)在室溫下的鍵合。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種室溫鍵合ITO納米線的裝置，包括位移控制單元，能夠?qū)崿F(xiàn)微米以上尺度位移的大尺度位移裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)微米以下尺度位移的小尺度位移裝置，由導(dǎo)電材料制成的探針和樣品臺(tái)，內(nèi)裝有電壓源和電流表的電學(xué)測(cè)試單元,具有納牛頓級(jí)別的測(cè)力精度的測(cè)力傳感器和壓力監(jiān)測(cè)單元；所述樣品臺(tái)設(shè)置于能夠通過電子束成像并發(fā)射離子束的真空腔體內(nèi)，一側(cè)表面通過導(dǎo)電膠設(shè)置有待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B，所述待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B的直徑均小于50納米且生長(zhǎng)于導(dǎo)電襯底上；所述大尺度位移裝置、小尺度位移裝置、測(cè)力傳感器和探針順序固定安裝于真空腔體內(nèi)，探針尖端正對(duì)能夠設(shè)置襯底的樣品臺(tái)一側(cè)表面，所述大尺度位移裝置、小尺度位移裝置和測(cè)力傳感器信號(hào)連接至設(shè)置于真空腔體外側(cè)的位移控制單元，通過位移控制單元控制探針的三維方向的移動(dòng)，通過壓力監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)探針的受力；所述電學(xué)測(cè)試單元設(shè)置于真空腔體外，一端電連接至大尺度位移裝置，一端電連接至樣品臺(tái)，當(dāng)探針與樣品臺(tái)直接連接時(shí)，大尺度位移裝置、小尺度位移裝置、測(cè)力傳感器、探針、樣品臺(tái)和電學(xué)測(cè)試單元之間形成導(dǎo)電通路。進(jìn)一步的，所述樣品臺(tái)固定安裝于真空腔體內(nèi)。進(jìn)一步的，所述樣品臺(tái)可移動(dòng)式安裝于真空腔體內(nèi)，樣品臺(tái)上安裝一位移傳感器控制樣品臺(tái)位置移動(dòng)。進(jìn)一步的，所述探針的尖端曲率半徑小于500納米。本發(fā)明還提供利用室溫鍵合ITO納米線的裝置實(shí)現(xiàn)的室溫鍵合ITO納米線的方法，具體步驟如下：步驟(1)，選取待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B，所述作為焊接材料的納米線B的直徑小于50納米且生長(zhǎng)于襯底上；步驟(2)，將待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B在氧氣等離子體中處理1-10分鐘，功率30-100瓦，氣壓1-5Pa,氧氣流量10-100sccm；步驟(3)，將待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B置入紫外臭氧環(huán)境中處理30-120秒；步驟(4)，將待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B設(shè)置于探針尖端正對(duì)樣品臺(tái)的一側(cè)表面，探針尖端制備電子束輻照敏感的導(dǎo)電高分子固化材料；步驟(5)，利用大尺度位移裝置和小尺度位移裝置控制探針往作為焊接材料的納米線B移動(dòng)，使探針和納米線B頂端接觸；步驟(6)，聚焦電子束在探針尖端的電子束輻照敏感的高分子固化材料上使其固化并粘合納米線B；步驟(7)，利用大尺度位移裝置和小尺度位移裝置控制探針側(cè)移，使用探針折斷納米線B并將其移動(dòng)到待焊接的A表面并接觸，控制探針施加正壓力，保持1-30秒進(jìn)行冷焊接；通過電學(xué)測(cè)試單元施加電壓，檢測(cè)回路中的電流并計(jì)算接觸電阻率，當(dāng)接觸電阻率與納米線本身的電阻率相差在誤差范圍內(nèi)時(shí)，表示兩者之間接觸良好；步驟(8)，使用聚焦的電子束或者離子束刻蝕納米線B，使納米線B與探針分隔；步驟(9)，所獲得的納米線B焊接于待焊接的納米結(jié)構(gòu)A表面的結(jié)構(gòu)能夠帶有活動(dòng)自由度，且電連接得到保持，表面焊接成功。進(jìn)一步的，所述小尺度位移裝置采用壓電，電致伸縮，電致熱膨脹或者磁致伸縮實(shí)現(xiàn)微米以下尺度位移。進(jìn)一步的，還包括如下步驟：步驟(10)，重復(fù)步驟(5)至步驟(9)，其中步驟(7)中冷焊接過程為：利用大尺度位移裝置和小尺度位移裝置控制探針側(cè)移，使用探針折斷納米線B并將其移動(dòng)到已焊接好的納米線B一端并接觸，控制探針施加正壓力，保持1-30秒進(jìn)行冷焊接；通過電學(xué)測(cè)試單元施加電壓，檢測(cè)回路中的電流并計(jì)算接觸電阻率，當(dāng)接觸電阻率與納米線本身的電阻率相差在誤差范圍內(nèi)時(shí)，表示兩者之間接觸良好；步驟(11)，重復(fù)步驟(10)能夠連續(xù)連接多根納米線B。進(jìn)一步的，通過真空腔體內(nèi)能夠通過電子束成像的裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室溫鍵合ITO納米線的過程。整個(gè)工藝步驟簡(jiǎn)單透明，實(shí)時(shí)高效。有益效果：具有較好的重復(fù)性?？梢赃B續(xù)連接多根納米線，工藝重復(fù)性良好。所制備的連接具有良好的導(dǎo)電性。計(jì)算表明，連接電阻與納米線本身的電阻相當(dāng)。連接實(shí)現(xiàn)了柔性連接。實(shí)施實(shí)例表明，連接具有良好的自由度，在多根納米線連接好后其相互位置可以發(fā)生變化而其電連接得以保持。附圖說明圖1為室溫鍵合ITO納米線的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為位移控制單元；2為大尺度位移機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)微米以上尺度的位移；3為小尺度位移機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)微米以下尺度的位移；4為測(cè)力傳感器；5為探針；6和7分別為待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B；8為固定或者可動(dòng)樣品臺(tái)。其如果為可動(dòng)樣品臺(tái)則需要連接一位移控制器；9為電學(xué)測(cè)試單元，內(nèi)含電壓源，電流表等等；10為壓力監(jiān)測(cè)單元。圖2為使用ITO納米線焊接于另一根ITO納米線。材料經(jīng)過離子體中處理1分鐘，功率60瓦，氣壓2Pa,氧氣流量50sccm。探針使用碳納米管。圖(a)顯示初始狀態(tài)，其中探針和ITO納米線已經(jīng)接觸。圖(b)顯示接觸的ITO納米線斷裂后與旁邊的ITO納米線進(jìn)行接觸。施加一個(gè)小的正壓力后兩者鍵合在一起。圖3為使用ITO納米線焊接于另一根ITO納米線。材料經(jīng)過離子體中處理1分鐘，功率60瓦，氣壓2Pa,氧氣流量50sccm。探針使用碳納米管。圖中顯示三段ITO納米線接觸鍵合形成。施加一個(gè)小的側(cè)向壓力后可將納米線鍵合在一起。(注：圖片放大倍數(shù)與上圖相同)。圖4為使用ITO納米線焊接于另一根ITO納米線。材料經(jīng)過離子體中處理1分鐘，功率60瓦，氣壓2Pa,氧氣流量50sccm。探針使用碳納米管。圖中顯示四段ITO納米線接觸鍵合形成。(注：圖片放大倍數(shù)與上圖相同)。圖5為使用探針拉伸形成的四段ITO納米線鍵合接觸，可以看到其依然連接在一起。(注：圖片放大倍數(shù)與上圖相同)。圖6為使用探針壓縮形成的四段ITO納米線鍵合接觸，可以看到其依然連接在一起。(注：圖片放大倍數(shù)與上圖相同)。圖7為室溫鍵合后納米線的電流-電壓特性圖，其中1指示探針和樣品臺(tái)短路后的電流-電壓特性，2為單根ITO納米線的電流-電壓特性，3為兩段ITO納米線接觸鍵合形成后電流-電壓特性，4為四段ITO納米線接觸鍵合形成后電流-電壓特性。Voltage為電壓，Current為電流。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。如圖1所示，一種室溫鍵合ITO納米線的裝置，包括位移控制單元1，能夠?qū)崿F(xiàn)微米以上尺度位移的大尺度位移裝置2，能夠?qū)崿F(xiàn)微米以下尺度位移的小尺度位移裝置3，由導(dǎo)電材料制成的探針5和樣品臺(tái)8，內(nèi)裝有電壓源和電流表的電學(xué)測(cè)試單元9,具有納牛頓級(jí)別的測(cè)力精度的測(cè)力傳感器4和壓力監(jiān)測(cè)單元10；所述探針5的尖端曲率半徑小于500納米。所述樣品臺(tái)8設(shè)置于能夠通過電子束成像并發(fā)射離子束的真空腔體內(nèi)，一側(cè)表面通過導(dǎo)電膠設(shè)置有待焊接的納米結(jié)構(gòu)A6和作為焊接材料的納米線B7，所述待焊接的納米結(jié)構(gòu)A6和作為焊接材料的納米線B7的直徑均小于50納米且生長(zhǎng)于導(dǎo)電襯底上；所述大尺度位移裝置2、小尺度位移裝置3、測(cè)力傳感器4和探針5順序固定安裝于真空腔體內(nèi)，探針5尖端正對(duì)能夠設(shè)置襯底的樣品臺(tái)一側(cè)表面，所述大尺度位移裝置2、小尺度位移裝置3和測(cè)力傳感器4信號(hào)連接至設(shè)置于真空腔體外側(cè)的位移控制單元1，通過位移控制單元1控制探針5的三維方向的移動(dòng)，通過壓力監(jiān)測(cè)單元10監(jiān)測(cè)探針的受力；所述電學(xué)測(cè)試單元9設(shè)置于真空腔體外，一端電連接至大尺度位移裝置2，一端電連接至樣品臺(tái)8，當(dāng)探針與樣品臺(tái)8直接連接時(shí)，大尺度位移裝置2、小尺度位移裝置3、測(cè)力傳感器4、探針5、樣品臺(tái)8和電學(xué)測(cè)試單元9之間形成導(dǎo)電通路。其中，所述樣品臺(tái)8固定安裝于真空腔體內(nèi)。或者可移動(dòng)式安裝于真空腔體內(nèi)，樣品臺(tái)上安裝一位移傳感器控制樣品臺(tái)位置移動(dòng)。本發(fā)明還提供一種利用室溫鍵合ITO納米線的裝置實(shí)現(xiàn)的室溫鍵合ITO納米線的方法，具體步驟如下：步驟(1)，選取待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B，所述作為焊接材料的納米線B的直徑小于50納米且生長(zhǎng)于襯底上；步驟(2)，將待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B在氧氣等離子體中處理1-10分鐘，功率30-100瓦，氣壓1-5Pa,氧氣流量10-100sccm；步驟(3)，將待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B置入紫外臭氧環(huán)境中處理30-120秒；步驟(4)，將待焊接的納米結(jié)構(gòu)A和作為焊接材料的納米線B設(shè)置于探針尖端正對(duì)樣品臺(tái)的一側(cè)表面，探針尖端制備電子束輻照敏感的導(dǎo)電高分子固化材料；步驟(5)，利用大尺度位移裝置和小尺度位移裝置控制探針往作為焊接材料的納米線B移動(dòng)，使探針和納米線B頂端接觸；步驟(6)，聚焦電子束在探針尖端的電子束輻照敏感的高分子固化材料上使其固化并粘合納米線B；步驟(7)，利用大尺度位移裝置和小尺度位移裝置控制探針側(cè)移，使用探針折斷納米線B并將其移動(dòng)到待焊接的A表面并接觸，控制探針施加正壓力，保持1-30秒進(jìn)行冷焊接；通過電學(xué)測(cè)試單元施加電壓，檢測(cè)回路中的電流并計(jì)算接觸電阻率，當(dāng)接觸電阻率與納米線本身的電阻率相差在誤差范圍內(nèi)時(shí)，表示兩者之間接觸良好；步驟(8)，使用聚焦的電子束或者離子束刻蝕納米線B，使納米線B與探針分隔；步驟(9)，所獲得的納米線B焊接于待焊接的納米結(jié)構(gòu)A表面的結(jié)構(gòu)能夠帶有活動(dòng)自由度，且電連接得到保持，表面焊接成功。步驟(10)，重復(fù)步驟(5)至步驟(9)，其中步驟(7)中冷焊接過程為：利用大尺度位移裝置和小尺度位移裝置控制探針側(cè)移，使用探針折斷納米線B并將其移動(dòng)到已焊接好的納米線B一端并接觸，控制探針施加正壓力，保持1-30秒進(jìn)行冷焊接；通過電學(xué)測(cè)試單元施加電壓，檢測(cè)回路中的電流并計(jì)算接觸電阻率，當(dāng)接觸電阻率與納米線本身的電阻率相差在誤差范圍內(nèi)時(shí)，表示兩者之間接觸良好；步驟(11)，重復(fù)步驟(10)能夠連續(xù)連接多根納米線B。其中，所述小尺度位移裝置采用壓電，電致伸縮，電致熱膨脹或者磁致伸縮實(shí)現(xiàn)微米以下尺度位移。通過真空腔體內(nèi)能夠通過電子束成像的裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室溫鍵合ITO納米線的過程。整個(gè)工藝步驟簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)高效。實(shí)施實(shí)例1：如圖2所示，使用ITO納米線焊接于另一根ITO納米線。材料經(jīng)過離子體中處理1分鐘，功率60瓦，氣壓2Pa,氧氣流量50sccm。探針使用碳納米管。圖(a)顯示初始狀態(tài)，其中探針和ITO納米線已經(jīng)接觸。圖(b)顯示接觸的ITO納米線斷裂后與旁邊的ITO納米線進(jìn)行接觸。施加一個(gè)小的正壓力后保持約1秒使兩者鍵合在一起。實(shí)施實(shí)例2：如圖3所示，使用ITO納米線焊接于另一根ITO納米線。材料經(jīng)過離子體中處理1分鐘，功率60瓦，氣壓2Pa,氧氣流量50sccm。探針使用碳納米管。圖中顯示三段ITO納米線接觸鍵合形成。施加一個(gè)小的側(cè)向壓力后保持約30秒使可將納米線鍵合在一起。(注：圖片放大倍數(shù)與上圖相同)。實(shí)施實(shí)例3：如圖4所示，使用ITO納米線焊接于另一根ITO納米線。材料經(jīng)過離子體中處理1分鐘，功率60瓦，氣壓2Pa,氧氣流量50sccm。探針使用碳納米管。施加一個(gè)小的正壓力后保持約10秒使兩者鍵合在一起。圖中顯示四段ITO納米線接觸鍵合形成。(注：圖片放大倍數(shù)與上圖相同)。實(shí)施實(shí)例4：如圖5所示，使用探針拉伸形成的四段ITO納米線鍵合接觸，可以看到其依然連接在一起。(注：圖片放大倍數(shù)與上圖相同)。實(shí)施實(shí)例5：如圖6所示，使用探針壓縮形成的四段ITO納米線鍵合接觸，可以看到其依然連接在一起。(注：圖片放大倍數(shù)與上圖相同)。圖7為室溫鍵合后納米線的電流-電壓特性圖，其中1指示探針和樣品臺(tái)短路后的電流-電壓特性，2為單根ITO納米線的電流-電壓特性，3為兩段ITO納米線接觸鍵合形成后電流-電壓特性，4為四段ITO納米線接觸鍵合形成后電流-電壓特性。綜上所述，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的方法，具有較好的重復(fù)性?？梢赃B續(xù)連接多根納米線，工藝重復(fù)性良好。所制備的連接具有良好的導(dǎo)電性。計(jì)算表明，連接電阻與納米線本身的電阻相當(dāng)。連接實(shí)現(xiàn)了柔性連接。實(shí)施實(shí)例表明，連接具有良好的自由度，在多根納米線連接好后其相互位置可以發(fā)生變化而其電連接得以保持。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。