今年1月，暨南大學(xué)和中國科學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種等離子體增強(qiáng)激光納米焊接技術(shù)（PLNS），以提高使用飛秒激光直寫（FsLDW）制造的銀納米線的導(dǎo)電性。該項(xiàng)技術(shù)為快速生產(chǎn)均勻靈活和高導(dǎo)電性的大面積金屬納米電極和電容器，提供了一種高效經(jīng)濟(jì)的途徑。

FsLDW工藝用于構(gòu)建用于2D和3D工程圖案的銀納米線，并具有亞微米級(jí)的分辨率。這種納米加工方法具有多種優(yōu)勢(shì)，包括高分辨率、真實(shí)的三維度和靈活性，目前在光電器件制造領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

然而，使用這種方法存在一個(gè)挑戰(zhàn)。使用FsLDW工藝構(gòu)建的銀納米線是由銀納米粒子的聚集體組成，其中含有會(huì)降低導(dǎo)電性的空隙或聚合物夾雜物。為了增加銀納米線的導(dǎo)電性并降低直寫銀納米線的電阻，研究人員旨在減少間隙并增加銀納米粒子間的接觸面積，從而減少電極中導(dǎo)電電子耗散的能量。

圖1：等離子體增強(qiáng)激光納米焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

研究人員通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用光熱效應(yīng)可顯著增加相鄰銀納米粒子的接觸面積。對(duì)此，研究人員利用了FsLDW制造銀納米線的結(jié)構(gòu)特征，成功通過等離子體增強(qiáng)激光納米焊接提高銀納米線的導(dǎo)電性。在多光子效應(yīng)下，由納米粒子聚集體組成的納米線會(huì)減少。在激光照射下，納米粒子之間還會(huì)產(chǎn)生等離子體“熱點(diǎn)”。

銀納米粒子可以在室溫下通過等離子體增強(qiáng)的光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)焊接。這一過程顯著增加了納米粒子之間的接觸面積，提高了納米線的導(dǎo)電性。與傳統(tǒng)退火不同，在納米焊接方法中，熱量集中在熱點(diǎn)附近，因此不會(huì)對(duì)基材造成熱損傷。

等離子體增強(qiáng)激光納米焊接系統(tǒng)示意圖和光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。中心波長為532nm、脈沖寬度為8ns、重復(fù)頻率為10Hz的脈沖Nd:YAG激光器（Spectra-Physics，Quanta-Ray）用作激光納米焊接的光源。

圖2：銀納米線掃描電子顯微鏡圖像，插圖顯示銀納米線中銀納米粒子的尺寸分布

納秒脈沖激光束通過針孔形成直徑為5mm的光斑，以使激光束整形產(chǎn)生均勻的輻射光場(chǎng)。采用衰減器調(diào)節(jié)激光功率密度，利用機(jī)械快門控制激光照射時(shí)間精確到1ms，以研究激光照射對(duì)導(dǎo)電率的影響。

如圖2所示，基于銀離子的多光子吸收誘導(dǎo)光還原，通過 FsLDW 制造了平均尺寸約為30nm的銀納米線。在等離子體增強(qiáng)激光焊接工藝中，納秒脈沖激光對(duì)銀納米粒子的吸收會(huì)在幾皮秒的時(shí)間尺度上引起快速加熱和熔化。因此，相鄰的銀納米粒子在激光照射后接觸并焊接在一起。當(dāng)幾個(gè)納米粒子聚集在一起時(shí)，由銀納米粒子的表面等離子共振（SPR）引起的光熱效應(yīng)可以大大增強(qiáng)。

圖3：等離子體增強(qiáng)電場(chǎng)作為平行和垂直于粒子間軸的光偏振方向的粒子間間隙的函數(shù)

因此，低密度的光集中在兩個(gè)相鄰的銀納米粒子之間的間隙處，這些區(qū)域被稱為“熱點(diǎn)”。研究人員對(duì)激光與銀納米粒子的相互作用進(jìn)行建模，等離子體增強(qiáng)電場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算如圖3（c）所示。

當(dāng)入射光的偏振方向平行于粒子間軸而不是垂直于粒子間軸時(shí)，粒子間的電場(chǎng)顯著增強(qiáng)。銀納米粒子的熱值與局部光場(chǎng)強(qiáng)度成正比。增強(qiáng)的光強(qiáng)度有利于將局部納米焊接溫度提高到室溫環(huán)境下的熔點(diǎn)。

圖1顯示的是等離子體增強(qiáng)激光納米焊接工藝示意圖。通過用532nm激光照射，將由銀納米粒子組成的銀納米線電極放置在蓋玻片上。在激光照射下，由于等離子共振吸收，銀納米線在532nm處具有強(qiáng)光吸收。這種光熱效應(yīng)可以使納米粒子通過將光能轉(zhuǎn)化為熱能產(chǎn)生溫度增強(qiáng)。

圖4：隨著激光照射時(shí)間增加的PLNS示意圖

隨著溫度升高，納米粒子表面就會(huì)發(fā)生熔化或燒結(jié)，并通過圖4（ii）所示的等離子體增強(qiáng)光場(chǎng)在粒子間隙處增強(qiáng)。當(dāng)兩個(gè)納米粒子結(jié)合在一起時(shí)，它們會(huì)形成一個(gè)“頸部”。銀納米粒子的熔化和燒結(jié)過程始于快速“頸部”的形成，然后是由表面擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的“頸部”生長。最后，銀納米粒子的再結(jié)晶導(dǎo)致形成致密的銀納米線，如圖4（iii）所示。

如上圖5（e）所示。在激光納米焊接之前，銀納米線是由單個(gè)銀納米粒子組成，并且納米粒子之間存在大量納米間隔，如圖5（ei）所示。激光納米焊接后，納米粒子的熔化導(dǎo)致納米間距的減小和粒徑的增加。隨著納米焊接時(shí)間的增加，熔化更加充分，納米粒子緊密連接，如圖5（e-iii）所示。在足夠激光功率的照射下，等離子體增強(qiáng)激光納米焊接工藝可以加速銀納米粒子在特定區(qū)域內(nèi)的聚集，從而形成相對(duì)光滑和緊湊的連續(xù)納米線。

圖5：PLNS 過程中銀納米線形態(tài)變化的掃描電子顯微鏡圖像

另外，激光納米焊接技術(shù)不需要復(fù)雜的后處理，直接提高了FsLDW制備銀納米線電極的導(dǎo)電性。研究人員還研究了激光功率密度和納米焊接時(shí)間對(duì)銀納米線導(dǎo)電率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)提升激光功率密度或增加納米焊接時(shí)間時(shí)，銀納米線的電阻會(huì)明顯降低。隨著激光照射時(shí)間的增加，納米焊接的納米粒子和納米間隙逐漸減少，此時(shí)導(dǎo)電率的增加就趨于飽和。

研究人員表示，近年來金屬納米線電極已廣泛應(yīng)用于光電探測(cè)器、柔性電路、觸控面板和其他設(shè)備中。除了提高銀納米線的導(dǎo)電性外，納米焊接方法還支持使用FsLDW構(gòu)建的銀納米電極作為活性表面增強(qiáng)拉曼光譜基板、透明電極、電容器、發(fā)光二極管和薄膜太陽能電池。未來，高性能納米電極將為微電子領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展，提供更有利的材料性能。