一种无缝焊接碳纳米管的方法技术

一种无缝焊接碳纳米管的方法，涉及碳纳米管。选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段，或者任意选取两根不同的碳纳米管；利用聚焦电子束，在碳纳米管端口的空隙处沉积无定形碳以连接两段碳纳米管；利用焦耳加热对连接后的整个结构进行退火，得到高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构，实现碳纳米管的无缝焊接。对于碳纳米管的管径方向、管壁数、管径和手性均无要求，除了可以对器件中烧断的同一根碳管进行原位焊接修复之外，还适用于具有不同管径方向、管壁数、管径和手性的任意两根或多根碳纳米管之间的无缝焊接。

【技术实现步骤摘要】
一种无缝焊接碳纳米管的方法
本专利技术涉及碳纳米管，尤其是涉及一种无缝焊接碳纳米管的方法。
技术介绍
微电子器件作为现代信息化和自动化的基础，在尺寸上是越做越小，未来向纳电子器件发展是一个很重要的趋势。随着芯片中器件集成度的提高，单个器件和连接引线的尺寸都将缩小。对于一些传统的金属引线(比如铜、铝等)，当尺寸小到一定程度时将面临一系列的挑战，散热问题和电致迁移作用会对连接引线造成破坏。碳纳米管由于其优异的性能，已经在相关领域受到了广泛关注。它本身的导热率很高，并且SP2碳-碳键可以有效的抑制电致迁移作用的破坏，使之可以承受比普通金属高三个数量级的电流密度。碳纳米管已经被研究人员作为FETs和连接引线等进行了很多相关的研究。由此可见，未来电子器件可能从“硅基”向“碳基”发展，进而可能发展成为“全碳”电子器件。对于碳基或者全碳电子器件来说，碳纳米管之间的互连以及碳纳米管引线断裂后的修复将会是要面临的几大问题。目前针对碳纳米管连接的方法有电子束高温焊接[TerronesM,BanhartF,GrobertN,etal.Molecularjunctionsbyjoiningsingle-walledcarbonnanotubes[J].Physicalreviewletters,2002,89(7):075505.]、电流加热焊接[JinC,SuenagaK,IijimaS.Plumbingcarbonnanotubes[J].NatureNanotechnology,2008,3(1):17.]、无定形碳式连接[WangMS,WangJY,ChenQ,etal.Fabricationandelectricalandmechanicalpropertiesofcarbonnanotubeinterconnections[J].AdvancedFunctionalMaterials,2005,15(11):1825-1831.]、金属颗粒桥连式连接[Rodríguez‐ManzoJA,WangMS,BanhartF,etal.Multibranchedjunctionsofcarbonnanotubesviacobaltparticles[J].AdvancedMaterials,2009,21(44):4477-4482.]等，但都各有利弊。例如有些只适用于单壁或双壁碳纳米管、焊接简单粗糙、需要相应金属颗粒的辅助等等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供不仅可适用于器件中同根碳纳米管烧断后的原位焊接修复，而且可适用于不同管径、管壁数、管径方向和手性的任意两根或多根碳纳米管之间的无缝焊接，具有广泛适用性的一种无缝焊接碳纳米管的方法。本专利技术包括以下步骤：1)选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段，或者任意选取两根不同的碳纳米管；2)利用聚焦电子束，在碳纳米管端口的空隙处沉积无定形碳以连接两段碳纳米管；3)利用焦耳加热对连接后的整个结构进行退火，得到高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构，实现碳纳米管的无缝焊接。在步骤1)中，所述选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段，或者任意选取两根不同的碳纳米管的具体方法可为：原位移动钨针尖，使钨针尖与粘在金丝边缘的一根碳纳米管末端接触，通过在钨针尖和金丝电极两端加电压，施加多次的电流脉冲，使碳纳米管与两端电极连接，然后再对碳纳米管施加一个更大的、合适的电流脉冲，使碳纳米管与两端电极烧断；一段碳纳米管粘在钨针尖上，另一段碳纳米管粘在金丝边缘，作为待焊接的两根碳纳米管，或者再选一根不同的碳纳米管，与粘在钨针尖上的碳纳米管作为待焊接的两根碳纳米管。所述钨针尖是利用电化学腐蚀法对0.2mm直径的钨丝腐蚀所得，为了寻求钨针尖与碳纳米管之间良好的电学接触，可通常在实验前对钨针尖进行原位清洁处理，在钨针尖和金丝两端加上3V的恒压，移动钨针尖去靠近金丝边缘，当钨针尖和金丝接触时，钨针尖尖端瞬间熔成光滑的球状，表面污染物被清理掉；所述金丝是用于另一端电极和粘附碳纳米管的基底，直径为0.25mm，前端用钳子夹成扁平状，再将前端边缘剪掉，得到较平滑的前端边缘；所述碳纳米管可通过用金丝前端去刮蹭碳纳米管的粉末来准备样品，即会有许多碳纳米管粘上并从金丝边缘伸出，一端悬空。在步骤2)中，所述利用聚焦电子束，在碳纳米管端口的空隙处沉积无定形碳以连接两段碳纳米管的具体方法可为：(1)移动钨针尖的位置，使通过步骤1)获得的两根碳纳米管待焊接的端口处于同样的高度，且端口之间留出适当距离的空隙；(2)使用合适spotsize的电子束，将电子束聚焦在一端端口，控制束斑大小，一段时间后在端口处沉积出尺寸与碳纳米管管径一致的无定形碳纳米点，当端口处一旦开始沉积出无定形碳纳米点时，缓慢匀速地向另一端口处移动光斑，沿着束斑移动的轨迹会沉积出一小段无定形碳“纳米桥”结构，使两端端口通过沉积出的与管径近似尺寸的无定形碳“纳米桥”连接起来。在步骤3)中，所述利用焦耳加热对连接后的整个结构进行退火，得到高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构，实现碳纳米管的无缝焊接的具体方法可为：在钨针尖和金丝的两端施加恒压，利用产生的焦耳热对整个结构进行退火，手动调节电压使其逐渐增高，与此同时产生的焦耳热也逐渐增大，使无定形碳以及整个结构的晶化程度越来越高，经过一段时间的焦耳加热之后，使两段碳纳米管端口处的断裂管壁通过连续的管状石墨无缝连接起来，形成了高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构。本专利技术通过控制聚焦电子束的移动轨迹进行无定形碳“纳米桥”的生长，使两段碳纳米管连接起来；再通过焦耳加热使整个连接结构进行充分的晶化，最后形成无缝连接的管壁，达到对碳纳米管之间的无缝焊接。两根或多根碳纳米管无论管径方向、管壁数、管径和手性是否相同，都可以利用这种技术进行无缝焊接。由于最后充分晶化的结构，使焊接后的结构与原始碳纳米管的导电性差不多。与现有的碳纳米管连接技术相比，本专利技术具有的优点以及技术效果如下：1)本专利技术对于碳纳米管的管径方向、管壁数、管径和手性均无要求，除了可以对器件中烧断的同一根碳管进行原位焊接修复之外，还适用于具有不同管径方向、管壁数、管径和手性的任意两根或多根碳纳米管之间的无缝焊接。2)本专利技术不是简单地用无定形碳包裹式焊接，而是利用无定形碳“纳米桥”进行搭桥式连接，退火晶化后形成管壁与管壁之间的无缝连接，与完整碳纳米管结构几乎无异。3)本专利技术不需要借助其他金属颗粒的辅助完成。附图说明图1为本专利技术实施例的过程示意图。图2为用钨针尖与粘在金电极边缘并伸出一端悬空的碳纳米管末端接触后的电镜图。图3为碳纳米管被烧成两段的电镜图。图4为利用聚焦电子束在端口空隙处沉积无定形碳将两根碳管连接起来的电镜图。图5为图4中虚线矩形框所标的无定形碳连接处的高分辨电镜图。图6为利用焦耳加热退火后得到的高度晶化且外层几层管壁连续的碳纳米管结构电镜图。图7为两根不同管径大小的碳纳米管的电镜图。图8为对两根不同管径大小的碳纳米管进行无缝焊接后得到的高度晶化且外层几层管壁连续的碳纳米管结构电镜图。图9为两根不同管径方向的碳纳米管的电镜图。图10为对两根不同管径方向的碳纳米管进行无缝焊接后得到的高度晶化且外层几层管壁连续的碳纳米管结构的电镜图。具体实施方式下面通过几个实例的具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无缝焊接碳纳米管的方法，其特征在于包括以下步骤：1)选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段，或者任意选取两根不同的碳纳米管；2)利用聚焦电子束，在碳纳米管端口的空隙处沉积无定形碳以连接两段碳纳米管；3)利用焦耳加热对连接后的整个结构进行退火，得到高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构，实现碳纳米管的无缝焊接。

【技术特征摘要】
1.一种无缝焊接碳纳米管的方法，其特征在于包括以下步骤：1)选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段，或者任意选取两根不同的碳纳米管；2)利用聚焦电子束，在碳纳米管端口的空隙处沉积无定形碳以连接两段碳纳米管；3)利用焦耳加热对连接后的整个结构进行退火，得到高度晶化且管壁连续的碳纳米管结构，实现碳纳米管的无缝焊接。2.如权利要求1所述一种无缝焊接碳纳米管的方法，其特征在于在步骤1)中，所述选取一根碳纳米管并利用大电流将其烧成两段，或者任意选取两根不同的碳纳米管的具体方法为：原位移动钨针尖，使钨针尖与粘在金丝边缘的一根碳纳米管末端接触，通过在钨针尖和金丝电极两端加电压，施加多次的电流脉冲，使碳纳米管与两端电极连接，然后再对碳纳米管施加电流脉冲，使碳纳米管与两端电极烧断；一段碳纳米管粘在钨针尖上，另一段碳纳米管粘在金丝边缘，作为待焊接的两根碳纳米管，或者再选一根不同的碳纳米管，与粘在钨针尖上的碳纳米管作为待焊接的两根碳纳米管。3.如权利要求2所述一种无缝焊接碳纳米管的方法，其特征在于所述钨针尖是利用电化学腐蚀法对0.2mm直径的钨丝腐蚀所得，在实验前对钨针尖进行原位清洁处理，在钨针尖和金丝两端加上3V的恒压，移动钨针尖去靠近金丝边缘，当钨针尖和金丝接触时，钨针尖尖端瞬间熔成光滑的球状，表面污染物被清理掉。4.如权利要求2所述一种无缝焊接碳纳米管的方法，其特征在于所述金丝是用于电极和粘附碳纳米管的基底，直径为0.25mm，前端用钳子夹成扁平状，再将前端边...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸣生，赵龙泽，程勇，张桥保，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35