Nanojoining - Une Technologie d'Intégration pour Nanodevices et Nanosystems

par Professeur Norman Zhou

Professeur Normand Zhou, Directeur, et Professeur Anming HU, Professeur d'Aide à la Recherche, Centre pour les Matériaux Avancés Se Joignant, Service du Bureau D'études Mécanique et de Mécatronique, Université de Waterloo
Auteur Correspondant : nzhou@uwaterloo.ca

La Jointure, si au nano, micro ou macro-échelle, a été une part essentielle de fabrication et assemblage des produits fabriqués par l'homme, fournissant du couplage et du support mécanique, de la connexion ou l'isolation électrique, la protection de l'environnement, Etc. Ce sera vrai avec la technologie émergente de nanojoining, c.-à-d., les syndicats ou les connexions permanents producteurs entre les synthons nanosized, qui sont en général manufacturés utilisant des techniques hiérarchisées telles que le nanolithography, ou les méthodes ascendantes telles qu'en kit, formera toujours des nanodevices et des nanosystems fonctionnels1.

Nanojoining laisse également intégrer ces nanodevices et nanosystems aux environs, c.-à-d. les dispositifs et les systèmes micro et de macro-échelle. Nanojoining désigné également sous le nom nanobonding, nanowelding, nanobrazing, nanosoldering, Etc.

Des syndicats ou les connexions Permanents entre les synthons ou les pièces à réunir sont produits principalement par la formation (et occasionnellement secondaire) des liaisons chimiques primaires entre les surfaces d'affleurement1. Quand les pièces ne sont pas compatibles en structures atomiques, une couche intermédiaire ou un matériau intermédiaire peut être exigée. En principe, deux surfaces de solide idéal, par exemple, nettoient parfaitement et atomique plat, colleront ensemble si mis en le contact intime, car elles seront réunies spontanément par les forces interatomiques.

Cependant, la plupart des surfaces de bureau d'études sont caractérisées comme brutes et contaminées, exigeant une certaine forme d'énergie, habituellement une chaleur et/ou une pression, d'être appliqué pour surmonter ces entraves extérieures pour effectuer une articulation1. On s'attend à ce que ces entraves soient moins significatives dans nanojoining à cause des surfaces beaucoup réduites et des environnements spéciaux utilisés dans la plupart des procédés nanojoining. D'autre part, d'autres défis surgissent à cause de la miniaturisation continue et des lois de la physique associées. Ceux-ci occasionneraient par exemple des difficultés dans la manipulation des pièces.

Récent, le développement des procédés nanojoining attire des efforts énormes2-9. Des méthodes Variées ont été développées pour nanojoining, certains dont ont été au moins partiellement réussis. Par exemple, par l'exposition in-situ d'e-poutre avec un microscope électronique de boîte de vitesses aux températures élevées, Terrone2 a et autres soudé deux nanotubes à mur unique de croisement de carbone (SWCNT) par la formation des obligations covalentes de CC et des sonneries de création de sept ou huit-membered de carbone pont deux nanotubes.

Récent, Professeur Norman Zhou et ses collègues au Centre pour les Matériaux Avancés Se Joignant, ont avec succès brasé des paquets de nanotube de carbone aux électrodes de Ni avec les alliages de brasage Ti-Contenants à 900°C à 1000°C3, dans lequel les nanotubes réagissent avec du Ti aux obligations de Ti-c de forme menant aux contacts Par Effet De Joule faibles entre les nanotubes de carbone et les électrodes de Ni.

Wei4 a et autres réalisé le nanoconnection entre les nanotubes de carbone et les plombs de tungstène en déposant une couche de GA avec un faisceau d'ions orienté de Gd+ (BOBARD). Une petite résistance de contact des dix à 100 Ohms a été réalisée. Chen5 a et autres collé SWCNTs sur des électrodes de Ti utilisant un bonder ultrasonique pour obtenir les obligations robustes avec une résistance de contact de quelques kiloohms. Assimilé au soudage par points conventionnel de résistance, Hirayama6 a et autres soudé deux SWCNTs en appliquant des courants par un microscope de perçage d'un tunnel de lecture. Évidemment, ces protocoles sont pertinents en conditions très particulières et/ou pour un matériau très particulier, comme, l'e-poutre ou les faisceaux ioniques qui exigent le vide poussé, la soudure ultrasonore qui fournit moins de contrôle spatial des articulations, le chauffage de Joule qui est limité à la jointure des conducteurs.

Réciproquement, deux autres méthodes sont décrites en détail dans la partie suivante qui sont pertinentes pour les nanomaterials de jointure en général :

  • irradiation de laser de femtoseconde7,8 et
  • agglomération semi-conductrice de basse température par la diffusion atomique extérieure et/ou la fonte extérieure partielle9.

Car le temps s'accouplant thermique d'électron-réseau (environ 1 picoseconde) est beaucoup plus long que la durée d'impulsion de laser de femtoseconde, les électrons n'ont pas assez de temps de transférer l'énergie au réseau. La nature de l'interaction des pouls et des matériaux de laser de femtoseconde est connue comme traitement de non-thermique.

Après Que des électrons aient été excités par un laser de femtoseconde, la cohésion de réseau est réduite et le grippement desserre en raison de la répulsion de Coulomb. Ceci est accompagné du seul effet connu sous le nom de fonte ultra-rapide, qui se produit seulement au-dessus des cotes de nano-échelle comparées à la fonte thermique conventionnelle. Ceci ouvrent des possibilités passionnantes pour la jointure des synthons de nano-échelle pour les dispositifs micro-électromécaniques10. En réglant avec précision le rayonnement laser, nanojoining au niveau atomique est possible.

d'autre part, le transfert atomique extérieur est excessivement amélioré en nanomaterials dus à leur rapport élevé de l'énergie extérieure à l'énergie condensée par volume. Les atomes Proches De La Surface avec une mobilité assimilée comme dans la condition liquide peuvent fournir un mécanisme de métallisation par la coalescence et l'agglomération de basse température. Récent, nous avons collé des fils de Cu sur des ailes de Cu utilisant des pâtes de nanoparticle d'AG à 160°C.10

Il est certain que nanojoining soit l'une des technologies clé dans la réussite industrielle des nanodevices et des nanosystems. Comme Terrones et autres 2 précisé pour le nanoelectronics et les nanodevices de CNT, la jointure « est une question clé parce que les appareils électroniques et les systèmes nano-mécaniques intenses ont besoin des connexions moléculaires parmi SWCNTs individuel ».

Nanojoining révolutionnera des technologies actuelles variées de nano-fabrication pour la nano-mécatronique et les dispositifs moléculaires. Ces nanodevices et nanosystems ont le potentiel de fournir les propriétés distinctives et la sensibilité supérieure, et peuvent offrir l'intégration améliorée et les besoins en énergie de fonctionnement réduits pour le prochain rétablissement des technologies. Un exemple actuel est les nanoparticles soudés d'Au/Ag utilisés dans les sondes améliorées extérieures de Raman qui promettent de fournir la caractérisation unique de molécule pour des diagnostics, le développement de médicament et/ou calculer médicaux modernes de tranche de temps7,8.


Références

1. Y. Zhou, « Microjoining et Nanojoining ». Woodhead Publishing Ltd, Cambridge, Angleterre, Presse de CENTRE DE DÉTECTION ET DE CONTRÔLE, 2008
2. M. Terrones, F. Banhart, N. Grobert, J.C. Charlier, H. Terrones, et P.M. Ajayan, Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 075505
3. W. Wu, A. HU, X. Li, J. Wei, Q. Shu, K.L. Wang, M. Yavuz, Y. Zhou, « brasage d'Aspirateur du nanotube de carbone empaquette », Mère. Lett. 62 (2008) 4486
4. C. Chen, L. Yan, E. Kong, Y. Zhang, Nanotechnologie 2006, 17, 2192.
5. B. Wei, R. Spolenak, P. Kohler-Redlich, M. Ruhle, E. Arzt, APPL. Phys. Lett. 1999, 74, 3149.
6. H. Hiyayama, Y. Kawamoto, Y. Ohshima, et K. Takayanagi, APPL. Phys. Lett. 2001, 79, 1169
7. Y. Zhou, A. HU, M.I. Khan, W. Wu, B. Tam, et M. Yavuz. « Progrès Récent dans le micro et nanojoining ». J. Phys. Conf. Numéro 2009, 165, 012021.
8. A. HU, S.K. Panda, M.I. Khan, Y. Zhou, (2009) « Soudure Laser, Microwelding, Nanowelding et Nanoprocessing », Menton. J. Lasers Vol.36, no.12, 3149.
9. H. Alarifi, A. HU, M. Yavuz, Y. Zhou, « Coller des fils de Cu à de basses températures utilisant la pâte de nanoparticles d'AG », se produire de la Société de Recherches de Matériaux, 2009 Automne, Boston, ETATS-UNIS.
10. A. HU, M. Rybachuk, Q. - B, Lu et W.W. Duley. « Synthèse Directe des réseaux SP-métallisés de carbone sur la surface de graphite par irradiation de laser de femtoseconde ». APPL. Phys. Lett. 2007, 91, 1319061.

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Norman Zhou (Université de Waterloo)

Date Added: Apr 28, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:20

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