综述:一维纳米材料的纳米连接技术进展:方法、原理及应用

《Materials Science in Semiconductor Processing》:Advances in nanojoining for one-dimensional nanomaterials: methods, principles, and applications

【字体: 时间:2025年11月11日 来源:Materials Science in Semiconductor Processing 4.6

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  1D纳米材料因优异电、光、热性能在透明电极、纳米电子、传感器等领域具有重要应用潜力,但其规模化集成面临连接技术挑战。本文系统综述了热效应(如激光诱导焊接、射频加热)与压力辅助(固态扩散焊接)等纳米连接方法,分析其机理差异及适用场景,为高性能纳米器件开发提供理论参考。

  
万慧|舒宇|栾世一|周贤志
中国湖北工业大学机械工程学院现代制造质量工程重点实验室,武汉

摘要

一维(1D)纳米材料在电学、光学和热传输等方面具有优异的性能。由于这些出色的物理和化学性质,1D纳米材料在透明电极、纳米电子学、传感器、能量转换与存储以及药物输送等领域展现出巨大潜力。将1D纳米材料与其它纳米材料或跨尺度材料结合以制造纳米级功能结构,对于实现1D纳米材料的功能集成和器件应用至关重要。为了实现低损伤和高性能的纳米级互连,研究人员提出了多种纳米连接方法。尽管这些纳米连接技术存在显著差异,但它们基本上都是通过热效应或压力促进接头区域原子的迁移和再结晶来实现纳米级互连的,从而催生了众多新型纳米器件和应用。因此,本文综述了1D纳米材料的纳米连接方法、原理及其应用进展,为纳米连接技术的未来发展与应用提供参考。

引言

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。

部分内容摘录

利用热效应实现的纳米连接

温度是影响纳米连接过程中扩散和焊接的关键因素。研究人员提出了多种创新的加热方法,以实现整体或局部加热,从而促进接头区域的扩散或焊接。根据受热区域的特点,这些利用热效应实现的纳米连接方法被分为整体加热和局部热效应两种类型。

压力辅助纳米连接

利用热效应实现的连接方法可能不适用于热管理性能较差的材料。对于这类材料而言,实现室温下的纳米连接具有重要意义。压力辅助纳米连接方法是通过施加压力来促进材料之间的固态扩散,从而实现连接。
Gaynor等人[[85]]指出,Ag纳米线网络的高粗糙度是导致这些材料不兼容的关键因素。

结论

本文深入综述了一维纳米材料的纳米连接技术进展。在过去二十年里,通过技术创新,在1D纳米材料的连接领域取得了显著进展。开发了多种纳米连接方法,通过促进接头区域的熔合、焊接或固态键合来实现1D纳米材料的连接。尽管这些纳米连接方法存在差异,但它们主要都是通过热效应来实现1D纳米材料的连接。

作者贡献声明

万慧:项目管理、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析。舒宇:方法论设计、数据管理。栾世一:数据分析。周贤志:数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了湖北省青年科学技术人才培养计划(项目编号:2025DJA023)和国家自然科学基金(项目编号:52305612)的支持。
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