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发布时间：2021-03-09 16:19所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：一维纳米材料在微/纳机电系统、柔性透明导电器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。如何将一维纳米材料装配至指定位置，然后以特定姿态与纳观或宏观材料形成连接，是纳米结构实现功能化、器件化的关键技术。当前已有多种一维纳米材料位姿调控方法的报
摘要：一维纳米材料在微/纳机电系统、柔性透明导电器件、传感器等领域具有广泛的应用前景。如何将一维纳米材料装配至指定位置，然后以特定姿态与纳观或宏观材料形成连接，是纳米结构实现功能化、器件化的关键技术。当前已有多种一维纳米材料位姿调控方法的报道，根据这些调控方法的原理将其分为探针法、自组装和光镊法三类，重点介绍了这三种一维纳米材料位姿调控方法的原理与特点。结合一维纳米材料的位姿调控方法与激光连接过程，详细阐述了激光连接一维纳米材料领域的新进展。
关键词：激光连接;一维纳米材料;位姿操作;
1引言
一维纳米材料通常指直径在1-100nm、长度方向没有限制的纳米管或纳米线。一维纳米材料具有独特的机械、电学、热学、光学等特性，在微/纳机电系统[1-4]、传感器[5-10]、柔性透明导电器件[11-13]等领域具有广阔的应用前景。与零维纳米材料或二维纳米薄膜相比，一维纳米材料具有较大的长径比。采用一维纳米材料构建纳米结构或器件时，不仅需要考虑一维纳米材料的位置，而且需要考虑其姿态(或偏转角度)。
材料论文范例：芳纶纳米纤维的制备及应用研究进展
例如，采用InP、ZnO等纳米线制备偏振光探测器时，需要将纳米线沉积在电极对上，且纳米线要以平行于两个电极连线的姿态与电极相连接，使偏振光探测器输出的电信号与输入光的偏振角度相对应，否则无法精确测量入射光的偏振角。因此，如何将一维纳米材料装配至指定位置，然后以特定姿态与纳观或宏观尺度材料互连，是纳米结构实现功能化、器件化的关键技术。尽管一维纳米材料具有广阔的应用前景，但是对其位置和姿态进行精确调控，并将其与其它材料形成可靠的纳米尺度互连面临巨大挑战。
一方面，纳米材料的小尺寸使其难以被精确定位，适用于常规材料的操作方法，如机械夹持等方法，容易对纳米材料造成损伤;另一方面，纳米材料比表面积大，表面能高，如何将能量精准地投放到纳米材料的连接部位，而不影响纳米材料的非连接部位，是制备高性能纳米接头的关键因素。目前，已有多种对一维纳米材料位姿进行精确调控的方法。根据这些纳米操作方法的原理，可将其分为探针法、自组装和光镊法三类。
针对一维纳米材料的连接问题，已有机械压[14-16]、热退火[17-18]、化学处理[19-20]、冷焊[21-22]、激光诱导[23-25]等多种纳连接方法。激光诱导纳米连接技术利用激光辐照纳米材料，在纳米材料上激发局部表面等离激元共振，从而在一维纳米材料的两端和纳米材料间的缝隙处产生局部热效应[26-27]。通过精确调控激光对纳米材料的辐照强度，可以使纳米材料的互连位置受热，产生相变微熔效果，然后冷凝将纳米材料与纳观或宏观材料连接。当材料尺寸减小至纳米尺度后，材料的比表面积显著增大，表面能升高，使纳米材料的熔点显著降低[28-29]。
这种特性导致纳米材料在热作用下很容易被氧化，从而降低纳米材料的电学性能。与热压、热退火等纳连接技术相比，激光诱导纳米连接技术具有局部加热特性，在实现纳米尺度互连的同时，对纳米材料的非连接部位影响较小，是一种高效率、低损伤的连接方式[10]。本文结合一维纳米材料的位姿调控技术与激光连接一维纳米材料过程，重点阐述了探针法、自组装和光镊法三类一维纳米材料位姿调控方法的原理、应用及优缺点，详细介绍了激光连接一维纳米材料领域的新进展，为后续纳米连接技术与装备的发展提供参考。
2基于探针法的激光连接技术进展
探针法利用探针拨动纳米材料，对一维纳米材料的位置和姿态进行高精度调控。由于一维纳米材料的尺寸非常小，探针法采用的探针针尖一般在纳米尺度。此外，为了对一维纳米材料的位置进行标定，探针法还需借助高分辨率显微镜。探针法使用的显微镜包括光学显微镜、原子力显微镜和扫描电镜等，使用的探针包括纳米光纤探针、原子力显微镜探针、纳米钨针等。采用纳米光纤探针对纳米线位置和姿态进行调控的光学系统结构图[30-34]。该系统主要包含三部分，分别是光学显微镜，探针和激光。光学显微镜由电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)和100×镜组合而成，用来对一维纳米材料的位置进行标定。
该系统采用的激光波长为532nm，激光器产生的激光束经过物镜聚焦后，光斑直径被缩小至500nm左右，可以将激光精确投射至纳米材料的连接位置。该系统工作时，首先通过光学显微镜对一维纳米材料的位置进行标定;然后将探针针尖移至物镜下方，在光学显微镜和三维移动平台的辅助下，对纳米线的位置和姿态进行调控;最后将激光输入到纳米材料的连接位置，实现纳米尺度互连。浙江大学的Li等[32]采用探针系统使两根Ag纳米线呈90°交叉姿态，然后利用激光辐照下方的Ag纳米线，使下方的Ag纳米线熔化收缩，包裹住上方的Ag纳米线，产生钎焊效果两根末端搭接呈“V”型状的Ag纳米线。
激光辐照两根Ag纳米线的搭接处，使两根Ag纳米线的搭接处熔化，在冷凝后形成互连结构。利用该探针系统，浙江大学的Ghosh等[30]将Ag纳米线以垂直于ZnO纳米线的姿态放置在ZnO纳米线的上方，利用激光辐照Ag纳米线一端，Ag纳米线融化后包裹住ZnO纳米线，制备出金属-半导体异质纳米接头。显示了激光辐照Ag纳米线后的温度分布，仿真采用的激光输入功率为30mW。ZnO纳米线与Au电极形成连接后，采用皮安表和探针测量ZnO-Au异质纳米接头的I-V曲线。ZnO纳米线与Au电极连接前后的IV曲线表明，ZnO纳米线与Au电极形成了肖特基接触[30]。
3基于自组装的激光连接技术进展
将批量一维纳米材料以特定位姿连接后，由大量纳米功能单元形成纳米功能器件，是一维纳米材料实现器件化的关键技术之一。
纳米材料的自组装技术为批量纳米操作提供了一种思路[42-43]。纳米材料的自组装是指纳米材料自发形成有序结构的一种技术[44]。利用纳米材料的自组装技术，可以将大量一维纳米材料有序排列。根据纳米材料的自组装原理可将其分为三类：一，纳米材料在溶液中受到引力或斥力，在动态平衡下实现的自组装[45-48];二，纳米材料借助于液-气或固-液等界面通过LB(Langmuir-Blodgett)技术实现自组装[49-50];三，在外加场(包括电场、磁场、光场等)的作用下[52-54]，使纳米材料产生极化现象，在梯度场作用下，极化后的纳米材料会产生定向移动，且溶液与介电纳米材料的相对介电常数能够决定其运动方向，实现一维纳米材料的自组装。
与前两种自组装技术相比，通过外加场可以快速实现一维纳米材料的位姿调控过程，这种自组装方法在微/纳机电系统制造领域具有独特优势。在电场作用下，碳纳米管产生极化现象。在非均匀电场的作用下，极化后的碳纳米管将沿着电场梯度运动。上海交通大学的宋晓辉等在Au电极上对碳纳米管悬浮液进行介电电泳后，碳纳米管沉积在电极对之间。他们施加的交流电电压为3V，频率为3MHz，电泳时间为45秒。马德里大学的Núñez等[53]通过介电电泳制备了基于GaAs纳米线的光电探测器。
他们在设计的电极对之间施加频率为100KHz的交流电捕获GaAs纳米线。利用该方法，他们将直径在70nm-100nm的GaAs纳米线装配至电极对上。实验结果显示，交流电场产生的电泳力是影响自组装效果的关键因素。当施加电压的均方根的平方Vrms为4.24V时，GaAs纳米线受到的电泳力约为0.15nN，此时没有观察到GaAs纳米线被捕获;当施加电压均方根的平方Vrms。达到5.66V时，GaAs纳米线受到的电泳力可以克服流体中的阻力，GaAs纳米线被装配至电极之间。进一步增大Vrms值至7.07V时，发现GaAs纳米线的密度从0.02μm-1增大至0.08μm-1[53]。
4基于光镊的激光连接技术进展
光镊又被称为梯度力光阱(GradientForceTrap)，是一种利用高度汇聚激光形成的三维势阱，可以用来俘获、操纵微小粒子。由于光子具有动量，光束的总动量随时间变化率在数值上等于物体受到的光学力[58-59]。这种光学力主要包括光束对纳米材料推力(又被称为散射力或辐射压力)和拉力(也被称为梯度力)。其中，推力主要来自微小粒子对入射光的散射和吸收;拉力主要来自微小粒子对光的折射和聚焦光束对微小粒子的极化作用，聚焦光束形成的梯度势阱会把微小粒子拉向光场的焦点并束缚在焦点附近[60]。
加州大学的Pauzauskie等[61]使用单光束光镊捕获GaN、SnO2、Si、ZnO、Ag纳米线。他们将1064nm的红外激光聚焦后形成单束光光镊。实验结果显示，激光强度为30-60mW时，该光镊可以捕获GaN、SnO2、ZnO、Si纳米线，并对其位置和姿态进行高精度调控;随后将激光器的输出功率提高至1W，成功连接GaN与SnO2纳米线。利用光镊技术，他们以GaN和SnO2纳米线为基本单元搭建出了三维纳米结构。利用该光镊，他们将单根GaN纳米线插入活细胞中。由于一维纳米材料可以作为波导[62-63]，将纳米线一端插入活细胞后，可以将其作为亚波长照明源，这种一维纳米材料位姿调控方法为活细胞内部组织成像提供了一种方案。
5总结与展望
在本文中，我们重点介绍了一维纳米材料的位姿调控技术与激光连接技术的进展，特别是如何对一维纳米材料的位置和姿态进行精确调控，然后利用激光连接一维纳米材料，形成复杂的纳米功能结构。探针技术是目前较为成熟的纳米操作技术，利用探针不仅可以对一维纳米材料的位置和姿态进行高精度调控，还可以使用探针对制备的纳米结构进行电学、力学和可靠性等测试，然而探针技术一般只能对单根纳米材料进行位姿调控，纳米操作效率较低。自组装技术在一维纳米材料的批量操作领域具有独特优势，常用的介电电泳方法需要在特定的电极结构下进行，且对一维纳米材料的位姿调控精度相对较低。
光镊技术具有较高的纳米操作精度，可以利用同一个激光源实现纳米操作和激光连接，但是需要在溶液中进行，对工作环境具有较高的要求。提高自组装和光镊技术与现有微电子工艺的兼容性是未来研究的重点。基于上述研究结果，我们认为多技术融合是未来纳米连接领域的发展趋势。例如，激光直写组装技术融合了光镊、自组装和激光直写等技术，可直接组装二维、三维微/纳米机电系统[28]。此外，纳米操作技术正在与激光连接技术、显微技术、纳米测试技术融合，在同一个系统下实现纳米观测、纳米操作、纳米连接以及纳米接头性能测试。这种多功能的纳米连接技术与装备将进一步推动纳米科技的发展与应用，推动多学科交叉，产生更多的创新应用。
参考文献
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作者：万辉1，赵强1，于圣韬2，栾世奕2，桂成群1*，周圣军1,2**
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《一维纳米材料位姿调控与激光连接技术进展》