由于一维纳米材料在电学、光学和热传输方面的优异性能[[1], [2], [3]],包括纳米线(NW)、纳米管(NT)和纳米棒在内的1D纳米材料特别适用于高性能纳米器件,这些器件具有高集成度、小尺寸和低功耗的特点[[4], [5], [6]]。随着对高性能量子器件和纳米电子器件需求的增加[[7], [8], [9]],当前的研究重点逐渐从纳米材料的生长与制备转向有序组装与集成[[10], [11], [12], [13], [14]]。1D纳米材料在透明电极[[15], [16], [17]]、柔性电子[[18], [19], [20]]、高灵敏度传感器[[21], [22], [23]]、能量转换与存储[[24], [25], [26]]、类脑计算[[27], [28], [29]]以及药物输送[[30,31]]等领域展现出巨大应用潜力。
纳米连接工艺是将纳米材料组装成功能性纳米结构。如图1所示,这些由纳米材料与跨尺度材料形成的功能性纳米结构是一体化高性能纳米电子器件的基础。经过纳米连接处理后,基于这些结构的器件在光学、电学、机械等性能方面表现出卓越的性能和可靠性。应用的高性能要求进一步推动研究人员寻找性能更优的纳米材料和纳米连接方法。焊接或连接是一种古老的制造工艺,通过高温或高压来实现金属或热塑性材料的连接[[32]]。然而,由于纳米材料的尺寸效应和表面效应,用一维纳米材料制造的纳米电子器件容易受到高温和高压的损伤,从而导致材料或结构性能失效。因此,传统在宏观尺度上有效的连接方法在纳米尺度上可能效果不佳。这些特性为一维纳米材料的纳米级集成带来了巨大挑战。
为了制造高性能的功能性纳米结构,研究人员提出了多种纳米连接方法,包括冷焊接[[40,333]]、热退火[[41]]、射频加热[[42]]、焦耳加热[[43]]、电子束诱导纳米连接[[44]]、光或激光诱导纳米焊接[[45,46]]以及压力辅助纳米连接[[47]]。这些方法不仅可以用于单个1D纳米材料的定点连接,还可以用于多个随机或有序排列的1D纳米材料的连接。被焊接的1D纳米材料包括金属(Au、Ag、Cu等)[[33,42,48]]、半导体和陶瓷(ZnO、SiC、TiO2、MgO等)[[49], [50], [51], [52], [53]],以及非晶材料(SiOx)[[54]]。尽管这些纳米连接方法存在显著差异,但其连接过程主要是通过热效应或压力在接头区域实现熔合、焊接或固态键合。本文重点介绍了1D纳米材料连接的方法和原理及其在构建功能性纳米结构中的应用。这些不同的纳米连接方法具有不同的适用场景,例如适用于具有良好或较差热管理性能的材料、连接大量无序纳米材料,以及整合单个点状纳米结构。根据纳米连接技术的进展,这些方法被分为两类:热辅助纳米连接和压力辅助纳米连接。随着其在未来工业化中扮演越来越重要的角色,本文详细综述了这些纳米连接方法、原理及其应用。