上海交通大学材料科学与工程学院, 上海市激光制造与材料改性重点实验室, 焊接与激光制造研究所, 上海 200240
消费电子市场正推动柔性电子器件向集成化、小型化及可穿戴的方向发展，同时也对柔性电子器件的制备提出了新的要求。光刻工艺加工精度高，但其成本昂贵、加工流程复杂且效率低。相比而言，飞秒激光加工兼有加工精度高和工艺流程简单的特点，已展现在制备柔性电子器件方面的独特优势和应用前景。为了更好地了解这一新兴领域的进展，本文概述了与柔性电子器件制备相关的五种飞秒激光加工工艺机理，包括激光液相纳米材料合成、激光纳米材料还原、激光诱导纳米连接、激光电极图案化及激光表面织构化，并介绍了制备的典型柔性电子器件性能，对存在的问题和未来发展趋势进行了分析和展望。
1 清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
2 上海交通大学材料科学与工程学院上海市激光制造与材料改性重点实验室, 上海 200240
纳米连接涉及纳-纳、纳-微-宏跨尺度的材料连接,其在微纳电子元器件及其系统、微纳光机电系统等互连封装制造和研发中起到越来越重要的作用。目前已研发了系列纳米连接工艺方法,但在高操控性能量输入、多材料选择、低损伤互连等方面均有各自的局限性。超快激光具有峰值功率密度极高、多材料适用、加工热影响区极小等显著优势,进而基于超快激光制造的纳米连接是一个重要的发展方向。以本团队及合作者的研究为主,阐述了纳米尺度材料超快激光连接的局域能量调控和异质连接界面冶金与能带修饰、基于超快激光纳米颗粒薄膜沉积的低温连接新技术,以及基于超快激光纳米连接的新型微纳器件的制造与应用。同时,指出了超快激光纳米连接所面临的挑战和发展趋势,为未来纳米连接的研究和应用提供参考。
激光制造 纳米材料 超快激光 纳米连接 脉冲激光沉积 界面冶金 微纳器件 中国激光
2021, 48(15): 1502001
北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京 100191
电性能优良且成本低廉的铜微纳结构在柔性电子领域中展现出广阔的应用前景。激光直写因其快速灵活且可控性高等优势,成为铜微纳结构的高效加工方法之一。概述了微纳结构激光加工的技术特点,随后针对激光直写铜微纳结构展开论述。重点分析了前驱体成分及激光工艺参数对铜微/纳观结构及电性能的影响,探讨了激光直写在铜微纳结构可控制备中的优势。列举了所得结构在柔性电子器件制造中的典型应用场景,分析了典型器件的工作机理。此外,对激光直写微纳结构的未来发展趋势进行了展望。
激光制造 激光材料加工 纳米材料 纳连接 柔性电极
1 清华大学机械工程系, 北京 100084
2 太原理工大学材料科学与工程学院, 山西 太原 030024
3 瑞士联邦材料科学与技术研究所, 苏黎世 杜本多夫 8600
纳米线的空间定位与接头连接对制备和组装高性能的纳米功能单元至关重要,开发新材料体系的高性能互连结构一直是研究重点之一。使用单脉冲能量密度为22.3 mJ/cm 2的聚焦飞秒激光成功实现p型氧化铜(CuO)纳米线之间的互连,聚焦激光能量场会由CuO纳米线的几何效应在接头处产生局域场增强效应,在纳米线接头的界面处发生原子扩散,促使CuO互连结构在施加偏压为10 V的情况下所获得的电流响应强度较连接前提升3个数量级以上,达到与母材相同的水平,基于该结构的光电探测器在功率为25.3 mW卤素灯照射的条件下获得与母材性能一致的电流增幅比值。所得结果为制备基于纳米连接的小型化、高性能和多功能化的纳米线网络单元奠定基础。
材料 飞秒激光 纳米连接 氧化铜纳米线 纳米器件
1 瑞士联邦材料科学与技术研究所, 迪本多夫 8600, 瑞士
2 清华大学机械工程系, 北京 100084
3 北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京 100191
随着新型材料特别是纳米材料在柔性多功能微纳光电子器件中的广泛应用,实现低维度下高质量材料互连成为了微纳器件高性能制造的关键。针对纳米材料自身的尺度及结构限制,传统宏观、微观尺度下的材料互连技术将难以实现在微纳空间上对输入能量的高精度控制,进而难以降低连接过程中的材料损伤。本文对基于光激励下表面等离子激元效应的超快激光纳米线连接技术进行了综述,分析了激光-材料相互作用过程中的等离子激元效应在纳米结构中的产生及分布特征,对光辐照下纳米线结构中的空间能量重分布及相应的控制策略进行了总结。同时,本文分别针对金属-金属纳米线、异质金属-氧化物/半导体纳米线以及跨尺度的纳米线,阐述了超快激光纳连接过程中的能量输入、材料损伤特征以及纳米接头的形成。最后,针对纳米线连接得到的低损伤纳米线结构,探索了超快激光纳米线连接技术在微纳光电子器件单元制造中的潜在应用。
超快光学 超快激光 纳米线 等离子激元 能量重分布 纳连接
研究了金属-氧化物异质材料纳米连接过程中的飞秒激光能量输入特征,实现了纳米材料快速低损伤互连的同时,保证了器件功能的完整性。研究了纳米连接对Pt-TiO2跨尺度互连结构电学性能调控的影响。实验结果表明:当入射光能量密度为5.02 mJ/cm 2时,纳米线与电极接触区域形成具有稳定结合强度的互连接头。模拟结果显示,飞秒激光辐照一侧产生局部“热点”,增强了接头区域的光学吸收。互连接头的形成,降低了异质界面的接触势垒。同时,基于互连结构模拟神经元突触传递,实现了更加稳定的电学性能调控。
激光技术 纳米连接 飞秒激光 忆阻器 突触可塑性 二氧化钛纳米线
1 太原理工大学材料科学与工程学院, 山西 太原 030024
2 清华大学机械工程系, 北京 100084
采用干法转移方法制备Au电极-CuO/ZnO纳米线异质结构,通过飞秒激光辐照,基于表面等离子激元的能量局域化输入实现了异质结构的纳米连接,改善了异质结构界面的接触状态,促进了载流子传输通道的导通。辐照前后的电学测试结果表明,激光处理后p型和n型纳米线场效应管的背栅调控性能有明显提升。当栅极电压达到±20 V后,二者的电流有明显的夹止趋势。此外,基于CuO和ZnO纳米线的p型和n型场效应管特性,制备了一种p-CuO/n-ZnO纳米线半导体倒相器。结果表明,激光辐照后的倒相器具有稳定的电压调控能力,为自下而上的微纳电子器件组装提供了新思路。
激光制造 飞秒激光 异质结构 纳米连接 微纳器件
1 武汉大学工业科学研究院, 湖北 武汉 430072
2 武汉大学动力与机械学院, 湖北 武汉 430072
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。将一维纳米材料装配至指定位置并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。当前已有多种对一维纳米材料进行位姿调控的方法,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。
激光 激光连接 一维纳米材料 位姿操作
