焊接时间对碳纳米管-Ti焊接效果的影响

赵 波， 齐红霞

(徐州师范大学 物理与电子工程学院 江苏 徐州 221116)

0 引言

碳纳米管具有独特的力学、电学等性质，基于碳纳米管的传感器[1-2]、场效应晶体管[3-4]和场发射平板显示器[5-6]等纳电子器件已成为纳米技术研究的重要方向和热点.由于碳纳米管不易操控，难以与金属电极形成牢固可靠的接触，导致碳纳米管与电极的接触电阻高、接触强度低.目前已经开发了多种改善碳纳米管与电极接触性能的方法，如电子束焊接[7-8]、扫描探针显微镜焊接[9]、二次金属包埋[10-11]、焦耳热或高温退火[12-13]等，这些方法都可以在一定程度上改善碳纳米管与外部电极接触的机械和电学性能，但是电子束和原子力显微镜焊接产率低、操作复杂；二次金属包埋和高温退火较为简单，但是沉积金属和高温退火容易引入其他杂质，对器件产生不利影响.

超声焊接是一种新颖的碳纳米管焊接技术[14-15]，该技术是在一定静压力下，利用超高频、微振幅和超硬焊头，使碳纳米管与金属电极之间形成长期稳定的低电阻接触和牢固可靠的机械连接.在已有的关于超声焊接的文献中，很少有关于焊接参数的报道.焊接时间是焊接工艺中最具操作性的参数，对焊接质量影响很大，由于碳纳米管纳米级的尺度，对焊接条件要求更高.作者研究了焊接时间对碳纳米管-Ti样品焊接效果的影响.

1 实验部分

实验中采用两种样品进行研究，一种是金属Ti表面电泳碳纳米管薄膜，用来研究焊接时间对碳纳米管表面形貌的影响；另一种是Ti-碳纳米管-Ti结构样品，用来研究焊接时间对器件两端电阻的影响.

碳纳米管薄膜样品采用电泳沉积制备.将4 mg酸化处理后的多壁碳纳米管加入到400 mL无水乙醇中，同时加入10 mg Mg(NO3)2·6H2O，配制成碳纳米管电泳溶液.将上述溶液超声1 h，静置2 d后滤出上层清液待用.实验中阴极为表面溅射Ti的硅片，阳极为不锈钢片，保持两电极之间的距离为2 cm，电泳电压为20 V.

为了表征碳纳米管-金属焊接前后的电学特性，采用双向电泳方法在微电极间组装单壁碳纳米管，测量焊接前后电极间电流-电压(I-U)特性曲线.使用lift-off微加工工艺制备间距约为1 μm的Ti电极对，在电极间施加高频交流电场，将分散良好的单壁碳纳米管溶液滴加在电极间，待溶液干燥后得到组装好的Ti-碳纳米管-Ti样品.

利用扫描电子显微镜(SEM, FEI SIRION 200)和三维轮廓仪(WYKO NT1100，Veeco)分析碳纳米管的表面形貌，焊接前后样品的两端电阻利用半导体参数测试仪(Agilent 4156C)进行测量.

2 结果和讨论

图1是电泳沉积碳纳米管的表面形貌图.从图1(a)的扫描电子显微镜图可以看出，碳纳米管在金属表面均匀分散，没有出现大量团聚的现象.图1(b)的三维轮廓分析可以得到样品的表面均方根粗糙度为19.22 nm，这种小的起伏有利于焊头与样品的紧密接触，从而保证超声能量有效传输，使碳纳米管均匀可靠焊接.

(a)扫描电镜图；(b)表面轮廓图图1 电泳沉积碳纳米管的表面形貌Fig.1 Morphology of the electrophoretically deposited carbon nanotubes

图2是焊接时间分别为0.01，0.1，1,15 s的SEM图.从图中可以看出，焊接时间过短(0.01 s)，超声振动能量没有有效传递到金属表面，碳纳米管与Ti之间不能形成良好的接触.随着焊接时间的延长，碳纳米管与金属的接触越来越好.当焊接时间为1 s时，碳纳米管与Ti紧密结合，碳纳米管埋入金属基体，如图2(c)中插图所示.但是时间过长(15 s)，在超声能量作用下，碳纳米管被剪切变短，金属表面被破坏，虽然部分碳纳米管也能埋入金属基体形成接触，但是基体的破坏限制了超声焊接的应用.

图3是焊接时间为0.1 s和1 s样品焊接前后的I-U特性曲线，插图是样品测量示意图.从图中可以看出，对于焊接时间为0.1 s和1 s的样品，两端电阻分别由焊接前的1.5×104Ω和1.3×107Ω下降到2×103Ω和7×104Ω.两端电阻的显著降低是因为高频超声能量的“超声软化效应”，碳纳米管在焊接压力的作用下被嵌入到软化的金属电极中，增大了碳纳米管与电极间的有效接触面积，导致碳纳米管与电极间形成更好的电学接触.另外，高频超声的振动摩擦可在碳纳米管与金属的接触处形成瞬间高温，具有清洁接触表面的作用，使得接触处的杂质或其他吸附物脱附，形成良好的接触界面.当焊接时间过短时(0.01 s)，振动能量来不及传递到焊件，造成焊接不良，样品的两端电阻没有明显的变化.焊接时间过长(15 s)，由于输入焊件的能量过大，容易引起金属微电极的破坏，焊接后样品的两端电阻无穷大.

图3 焊接时间为0.1 s (a)和1 s(b)样品的I-U特性曲线Fig.3 Typical I-U curves of samples welded for 0.1 s (a) and 1 s (b)

3 结论

利用超声能量焊接金属Ti上的碳纳米管，在0.1～10 s的焊接时间范围内，碳纳米管可以嵌入到软化的金属基体，从而形成紧密的碳纳米管-金属接触.通过研究金属-Ti-金属结构样品焊接前后的两端电阻变化，发现这种紧密接触大大减小了样品的两端电阻，表明超声焊接可以降低碳纳米管-Ti的接触电阻，这为解决碳纳米管与电极的接触问题提供了一种新的途径.

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