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。

纳米连接技术是纳米元器件与微系统及宏观系统整合的关键技术之一。稳定的器件性能取决于可靠的纳米互连结构,评估纳米互连结构的力学性能及电学性能对于预测电子器件的失效模式至关重要。本文结合目前不同纳米连接技术及连接界面的特点,对不同材料从单纳米焊接接头到宏观互连结构的电/力学性能特征进行了总结与展望,通过对互连结构焊接及变形机制、焊接强度、疲劳特性及电学性能的探讨,展现了激光诱导等离子体自限性低温焊接在未来纳米器件及柔性电子器件制造中的巨大潜力。

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。

随着微电子器件需求日益迫切,由纳米材料构造的微纳结构在降低尺度并获得特征性能上有着极大的优势。纳连接是从纳米材料构筑微纳结构的有效途径,目前实现纳连接的手段主要包括热烧结、激光烧结等。对比研究了不同连接方法形成的银电极的电学性能及微观结构,并对银纳米材料间的连接机理进行了分析。结果表明,相比于自连接及热烧结,激光烧结在降低电阻率及保持纳米结构方面有着独特的优势,在激光诱导下,银纳米带可在低温下实现互连,形成交联网络结构,从而降低银电极的电阻率,并显著改善其柔韧性。激光烧结电极的电阻率低至1.88×10 ^-7 Ω·m,同时具有较好连接强度,经3000次弯折后电阻变化率仅为21.26%。

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。

采用飞秒激光对铜离子前驱体薄膜进行激光直写,原位还原得到铜纳米颗粒并连接形成导电铜微结构。实验研究了激光功率对铜微结构物相成分、微观结构及导电性能的影响。进一步,利用COMSOL仿真软件模拟了飞秒激光辐照下铜纳米颗粒二聚体的电场分布及温度场分布特征,计算了不同功率单脉冲激光对铜纳米颗粒电子温度及晶格温度的影响。仿真结果表明,激光诱导表面等离激元效应可实现对纳米颗粒的局域加热。当激光功率为960 mW时,纳米颗粒热点区域的晶格温度最高为698 K,纳米颗粒出现表面熔化现象,可实现颗粒间的连接。随着入射激光功率的升高,晶格温度升高,颗粒间连接程度提高,与实验结果相一致。

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。

采用飞秒激光直写技术在预涂覆廉价铜离子涂层的柔性基体上通过激光还原得到纳米铜颗粒并原位连接形成导电结构,成功制得了具有优良导电性能的铜微电极。研究了不同激光功率及扫描速率对微电极形貌结构、导电性能的影响。结果表明:在不损伤基体的条件下,随着辐照激光能量密度增大,铜微电极的导电性能明显提高;当激光功率为1210 mW、扫描速度为1 mm/s时,所制备的微电极的成分主要为铜,导电性能较好,方阻达到2.74 Ω·sq -1。该研究为发展低成本、高效率的柔性电极制造提供了一种新技术,并拓宽了纳米铜材料在电子行业的应用范围。