基于AFM的自动化纳米焊接方法研究

Nanodevices made of carbon nanotube(CNT) or graphene carry extrordinary characteristics, such as nano sensors and nano field effect transistors, so technology on fabricating nanodevices is important branches of nanotechnology. In frabricating nanodevice, a meaningful question is how to connect CNTs or graphene to the microelectrodes. This project is going to study on automatically nanosoldering method based on nanoscale electric field of atomic force microscope(AFM). The major research topics includes: the relationship between the size of welding point and the welding current; welding in complex shapes; automatically adjusting of the tip-sample distance; Last but not least, verifying the effect of the welding method by welding practical CNT or graphene nanodevices and testing their characteristics. This project can provide technical means for firmly connecting the nano material to the microelectrodes during fabrication of nanodevices.

利用碳纳米管(CNT)及石墨烯等纳米材料制造的纳米传感器、场效应管等纳米器件具有优异的性能，因此纳米器件加工制造方法是纳米技术的重要研究领域。在纳米器件的加工过程中，如何实现碳纳米管或石墨烯在微电极上的良好固定并形成可靠电连接对纳米器件的研究和制造具有重要意义。本项目将开展一种基于原子力显微镜(AFM)微观电场的自动化纳米焊接方法研究。主要研究内容包括：加工电流与焊接点尺寸的关系研究；复杂形状的焊接加工方法研究；探针-样品距离的自动化调节方法研究。并通过对CNT及石墨烯纳米器件的焊接实验和性能测试研究，验证本项目方法的有效性，为纳米器件加工制造过程中纳米材料与金属微电极的可靠电连接提供可行技术。

纳米器件具有突出的优点，应用前景广阔，因此成为纳米研究的一个重要领域。纳米器件通常是将纳米材料装配到微电极上加工得到的，然而如何实现纳米材料在微电极上的良好固定并形成可靠电连接，仍然没有得到很好的解决。因此有效的纳米焊接方法研究十分必要。.本项目以原子力显微镜（AFM）为平台，通过在AFM导电探针和样品之间施加电压，使AFM导电探针表面的金属原子在强电场作用下沉积在样品上，从而起到纳米焊接的效果。本项目的研究，将为纳米器件的加工制造提供技术手段，促进纳米器件的发展。.本项目从四个方面开展研究工作：焊接点尺寸的有效控制方法；复杂焊接形状的研究；有效的探针-样品距离控制方法研究；最后通过对CNTFET及石墨烯器件进行焊接及性能测试验证焊接的有效性。项目组全体成员经过三年的刻苦研究，在四个方面均取得了一定的成果。.焊接点尺寸控制方面，对焊接加工过程中电流引起的温度变化进行了深入的分析，确定了适合焊接加工的电流范围，将焊接过程中电流引起的焦耳热的影响尽量降低，使沉积点尺寸大致与沉积时间成正比。.复杂焊接形状研究方面，开展了纳米点、纳米线、纳米图形、以及纳米沟痕的加工，实现了点、直线、斜线、折线、弧线的沉积。并实现了纳米图形的自动化沉积，沉积过程中不需要操作人员的干预。沉积得到的纳米结构高于样品表面，而纳米沟痕低于样品表面，二者相互结合，为三维纳米结构的加工提供了可能。.探针-样品距离自动调节方法研究方面，建立了基于能量的针尖-样品距离动态调节方法。该方法旨在维持焊接加工中的能量恒定，根据能量波动，自动调节探针-样品距离。.焊接方法应用及验证方面，对碳纳米管和石墨烯器件进行了焊接加工，并对比了焊接前后纳米器件的I-V曲线。同时对焊接点的热学稳定性和力学稳定性进行了分析。.本项目为实现纳米材料与微电极之间的有效焊接提供一个可行的思路和方法，具有良好的应用前景。