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。

硬脆和复杂结构材料上的微孔加工是超快激光的主要应用之一。超快激光微孔加工的质量和加工效率受单脉冲能量、频率、脉宽、偏振等光束特性以及加工方式、被加工材料、辅助方式等多个因素的综合影响。不同的工艺参数组合将导致不同的孔圆度、孔锥度、加工缺陷以及侧壁和孔边缘的表面质量,对工艺参数进行研究是超快激光微孔加工的核心问题之一。本文从光束特性、加工及辅助方式、材料特性等方面综述了目前超快激光微孔加工工艺的研究进展,总结并对比了不同研究中对同一工艺参数的研究结果。最后,提出了目前研究存在的不足并展望了今后提升效率和加工质量的方向。

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。

纳米线连接为高性能微纳器件的组装和应用提供了技术手段,但现有的连接方式对于能量输入的空间精度和外部环境要求较高,其工艺窗口较窄。为改善这一问题,以氧化石墨烯(GO)作为中间连接层的纳米线连接方式,通过干法转移制备了碳化硅(SiC)纳米线-氧化石墨烯(GO)薄膜-SiC纳米线的结构,并通过飞秒激光辐照还原氧化石墨烯,降低了SiC和GO之间的势垒,通过层内导电与层间导电的方式形成了更宽的载流子通道,从而显著提升了电流水平。此外生成的还原氧化石墨烯(rGO)纳米膜对SiC纳米线的接头形成了包裹与保护作用,从而使接头部分具有更好的抗辐照和热传导性能,提升了器件的稳定性与使用寿命。最后,利用飞秒激光还原GO薄膜实现了SiC纳米线网络的电性能提升,制备了具有良好响应度和较快响应速度的紫外光传感器及透明柔性导电薄膜等器件。

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。

为了分析升华物组分对柱状隔垫物性能的影响机制, 对目前量产通用的隔垫物材料A和含有升华物组分的隔垫物材料B进行了研究。通过FTIR, 3D扫描显微镜, 弹性测试和量产测试等方法对隔垫物材料的升华物成分、形貌、力学性能和量产稳定性进行了分析。实验结果表明, 添加的升华物组分是一种熔沸点较低的丙烯酸酯单体, 相同工艺条件下可以增大隔垫物的顶面面积约1.5 μm, 同时减小其底面面积约1 μm。但是在大批量产的过程中, 会在掩膜板上凝结升华物形成曲面薄膜, 增加辅助隔垫物的尺寸和高度。添加的升华物组分可以提高隔垫物的抗压强度, 同时可以对应高PPI TFT-LCD产品的开发需求, 但是会使低温气泡等不良发生的概率变大。

使用共沉淀法制备不同掺杂浓度的CeO2∶Eu3+的荧光粉, 并利用XRD, 激发和发射光谱对其光学性质进行了研究。 PL激发光谱中出现300～400 nm的源于基质CeO2的强吸收宽带以及较弱的Eu3+的7F0-5D2(467 nm) 吸收峰。 由于Ce4+和Eu3+半径十分接近, 因而Eu3+在CeO2中具有较高的固溶度。 当高浓度Eu3+掺杂CeO2时, 出现了7F0-5D2(467 nm) 吸收峰的极大增强。 在467 nm激发下获得了Eu3+的5D0—7F1(592 nm) 和5D0—7F2(612 nm)跃迁的特征红光发射。 与电荷迁移带激发下获得的红光相比, 在467 nm蓝光激发下获得的红光强度是其5倍。 7F0—5D2(467 nm) 的强电子吸收与蓝光LED芯片的输出波长相匹配, 在蓝光激发下获得明亮的红光发射。 因此, Eu3+掺杂CeO2荧光粉是一种有潜力的用于白光LED的红色荧光粉。

采用共沉淀法制备了一系列Al2O3含量由低到高的ZrO2-Al2O3固溶体, 并研究了固溶体的晶相结构以及稀土Er3+在固溶体中的上转换发光增强机制。 XRD结果表明固溶体为四方晶相ZrO2结构, Al2O3的最高固溶度约为20 mol%。 上转换发光光谱分析表明, Er3+掺杂ZrO2室温下具有绿色上转换荧光发射, 通过共掺杂Yb3+和Mo6+离子, 使得Er3+掺杂ZrO2的绿色上转换发光强度增强了约20倍, 获得了明亮的黄绿色上转换发光。 基质ZrO2通过与Al2O3固溶形成复合氧化物, 由于产生的大量氧空位缺陷的能级与Er3+的4F7/2能级高度相接近, 增强了Yb3+-MoO2-4基团(2F7/2, 3T2)能级向Er3+的4F7/2能级的能量传递。 通过形成固溶体复合氧化物基质材料, 使得Er3+的绿色上转换发光在获得20倍增强的基础上又提高了8倍。 绿色与红色上转换发光比例的变化也提高了材料的色纯度, 上转换发光由黄绿色变为纯绿色。