力电热耦合下碳纳米管/金属界面键合机制及实现方法研究

本项目针对碳纳米管与金属互连结构制造中，如何形成碳纳米管与金属结构在纳米尺度上的良好接触与互连的问题，即如何从力学角度上形成稳固的化学键连接以确保互连的可靠性而不至于在承受应力时连接脱落，从能量传递角度上增加电子或声子的传递通道。利用分子动力学模拟的方法研究碳纳米管与金属的互连结构界面键合过程的微观机制，分析力、热、电等物理因素对界面键合过程的影响，探索力热电耦合作用对碳纳米管/金属界面键合的影响，并针对性提出利用电磁感应方法在键合界面产生热和电荷，并结合外部压力实现碳纳米管与金属表面界面键合的方法，该方法相对传统热压方法的最大特点是利用了界面间的电场增加了金属原子与碳纳米管表面的浸润性，使得浸润性差的金属亦能够实现键合行为，而且只在界面处局部加热。本项目的研究将有助于探索新的微纳集成制造原理和方法，提高器件的制造水平，增强器件性能，具有重要的理论意义和实用价值。

本项目针对碳纳米管与金属互连结构制造中，如何形成碳纳米管与金属结构在纳米尺度上的良好接触与互连的问题，即如何从力学角度上形成稳固的化学键连接以确保互连的可靠性而不至于在承受应力时连接脱落，从能量传递角度上增加电子或声子的传递通道。利用分子动力学模拟的方法研究碳纳米管与金属的互连结构界面键合过程的微观机制，分析力、热、电等物理因素对界面键合过程的影响，探索力热电耦合作用对碳纳米管/金属界面键合的影响，并针对性提出利用电磁感应方法在键合界面产生热和电荷，并结合外部压力实现碳纳米管与金属表面界面键合的方法。主要研究内容包括：. 1)建立碳纳米管/金属键合过程的分子动力学模型，键合界面的主要结构形式为金属浸入大直径的碳纳米管内形成纳米线，同时金属原子迁移至碳纳米管外表面，对碳纳米管形成包覆。一方面，金属的表面熔化行为使碳纳米管与金属间的键合可以在低于金属熔点的温度下进行；另一方面，金属原子对碳纳米管表面的浸润与否取决于碳纳米管对该金属原子的吸附力与金属原子间聚合力之比；此外，界面电荷也可以促进碳纳米管与金属表面的键合，使浸润性差的金属也能与碳纳米管间实现良好键合。. 2)提出利用纳米界面热压键合的方法实现了垂直定向碳纳米管阵列与金属衬底的键合。纳米接触界面可以有效促进界面原子间的相互扩散。实验中通过金属沉积，在碳纳米管端部形成纳米金属团簇，然后在一定的温度和压力下实现了碳纳米管同金属衬底的有效键合。对键合界面的剥离实验表明，垂直定向碳纳米管与金属衬底间的键合强度高，以至于剥离后部分碳纳米管发生断裂；电学性能测试表明，键合后碳纳米管与金属衬底形成良好的欧姆接触，电阻率约为9 x10-7Ωm。. 本项目的研究将有助于探索新的微纳集成制造原理和方法，提高器件的制造水平，增强器件性能，具有重要的理论意义和应用价值。