一种基于能量的纳米焊接方法技术

本发明专利技术公开一种纳米焊接能量控制方法。具体来说，是在加工过程中，保持电压和电流的乘积恒定不变。电压电流的乘积决定单位时间能量的大小，因此该方法是一种以能量为控制目标的纳米焊接控制方法。由于加工过程中探针表面的原子得到的能量不变，因此场蒸发过程也是稳定的，得到的沉积点大小均匀。该方法可以有效提高纳米沉积加工过程中的重复性和精确性，并且操作简单。

An energy based nano welding method

The invention discloses a nano welding energy control method. Specifically, the product of voltage and current is kept constant during the processing. The product of voltage and current determines the energy per unit time, so this method is a kind of nano-welding control method with energy as the control target. Because the energy obtained by the atoms on the probe surface remains unchanged during the processing, the field evaporation process is also stable and the deposited points are uniform. This method can effectively improve the repeatability and accuracy of nano-deposition process, and the operation is simple.

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量的纳米焊接方法
本专利技术涉及纳米加工领域，具体的说是一种通过控制加工过程中的电场能量，使加工结果更加稳定和精确。
技术介绍
纳米焊接是纳米器件加工中的重要技术手段。纳米器件是由纳米材料构成的电子器件，比如各种气体传感器，生物传感器，场效应晶体管等等。纳米器件具有优异的性能，比如库仑阻塞效应等。但是目前纳米器件还没有实现广泛的应用。这是因为纳米器件在加工制造方面还存在各种问题。其中一个就是纳米器件的电连接问题。纳米器件是由纳米材料与金属电极装配在一起形成的，装配之后还存在以下问题：1.纳米材料自然搭接在电极上，没有形成良好的固定。2.纳米材料与电极间存在很大的接触电阻，影响器件在导电性、抗干扰等方面的性能。类似于焊接在宏观世界里所起到的作用，纳米器件的加工制造同样需要一种可以实现纳米材料之间可靠固定和电气连接的技术手段。基于原子力显微镜(AFM)的纳米沉积加工可以实现对纳米材料进行焊接。这种方法是在AFM探针上施加一定电压，使探针针尖和样品间形成一定的电场强度。当电场强度超过某一门槛值时，针尖表面的原子便在强电场的作用下脱离针尖表面向样品表面运动，这一过程被称为场蒸发。蒸发原子沉积在样品表面，形成凸起的纳米结构，起到焊接的效果。由于纳观环境下电场的直接观测和控制十分困难，因此实际加工中采用施加电压脉冲的方式来进行。但是电场强度不止与电压有关，还与针尖到样品的距离有关。恰恰是针尖到样品的距离难以精确控制，导致这种加工方法的重复性和可控性不理想，不能保证每次沉积加工都能成功，而且加工的沉积点不均匀。本专利技术采用能量控制的方式来进行沉积加工，不但可以加工出重复性好、精度高的沉积点，而且可以灵活的控制沉积点的大小。
技术实现思路
传统的AFM纳米沉积加工方法为在AFM导电探针上施加一定的电压脉冲。这种加工方法的重复性较差，同样的加工电压时而成功时而失败。其原因在于AFM探针是一种弹性悬臂梁结构，针尖易受环境的影响而晃动。尤其是沉积加工电压本身也会在针尖和样品之间形成静电吸引力，也会使针尖位置无法稳定。因此虽然加工电压可以精确控制，但是针尖位置的不确定性使得加工结果重复性较差。专利技术人曾将尝试采取措施维持针尖位置稳定，但是在纳观尺度下，针尖位置的观测和维稳都是一项艰巨的任务。因此在深入分析AFM沉积加工原理的基础上，专利技术人提出了这种能量控制的方法，取得了良好的效果。AFM沉积加工的原理是AFM探针针尖表面的原子在强电场的作用下获得足够的能量突破势垒，向样品表面运动。因此沉积加工成功的关键是针尖表面的原子获得足够的能量。正是基于这样的认知，专利技术人创造了这种能量控制方法，不再纠缠于加工电压、针尖位置等参数，直接以针尖表面的原子得到的能量为控制目标。本专利技术的技术方案为：以压电陶瓷作为探针运动的驱动器，以高精密电源为能量输出单元和电流检测单元，以电源输出的能量为控制目标，以动态调节探针位置作为控制手段，实现沉积加工过程中的能量恒定。加工过程主要分两个阶段：能量上升阶段和能量保持阶段。在能量上升阶段，保持电压恒定，通过向下移动探针来逐渐增大加工电流，即逐渐加大加工能量。当能量上升到满足加工要求时，即进入能量保持阶段。在能量保持阶段，要求电压和电流的乘积保持恒定，可以通过动态调整电压、电流和针尖位置这三个参数，实现该目的。本专利技术的优点如下：1.加工重复性好。加工过程中探针表面的原子得到的能量不变，因此场蒸发过程也是稳定的，得到的沉积点大小均匀。而传统的加工方法仅保持电压或电流恒定，当针尖样品距离发生变化时，针尖表面的原子得到的能量即发生变化，因此沉积结果时有时无，时大时小。2.控制方法简单。以加工电流为控制目标，动态调节针尖位置，不必关注针尖样品距离的实际值。3.可以与AFM的扫描、搬运、推拉、刻划等纳米操作联合，对纳米材料观测、搬运、定位、整形、焊接，实现机器人化纳米加工。附图说明：图1加工方法流程图图2加工系统示意图其中，1是AFM探针；2是样品；3是电源。具体实施方式：1.移动探针针尖到预定位置后，针尖悬停在加工点上方较远的地方。2.在针尖上施加一定电压。此时针尖距离加工点较远，针尖和样品间的电场强度较小，针尖表面的原子不会被蒸发。此时电流非常小。3.向下移动针尖。随着针尖与样品间的距离减小，针尖表面的电场强度增大，逐渐接近场蒸发所需的条件。4.当针尖电场达到场蒸发条件时，由于被蒸发离子的运动而形成场蒸发电流。针尖样品距离越小，针尖电场越强，场蒸发电流越大。5.设定一个合适的电流值。当场蒸发电流达到设定值时，针尖停止移动。6.动态调节电压、电流和针尖位置，保证电压和电流的乘积为恒定值，即维持加工加工过程中的能量恒定。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种场蒸发沉积纳米焊接方法，其特征是维持沉积过程中提供的能量恒定。

【技术特征摘要】
1.一种场蒸发沉积纳米焊接方法，其特征是维持沉积过程中提供的能量恒定。2.根据权利要求1所述，该方法不要求加工中的电流或电压恒定不变，而是保持二者的乘...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘增磊，高爱莲，杨旭，刘忠超，
申请(专利权)人：刘增磊，
类型：发明
国别省市：河南,41