趙 波， 齊紅霞

(徐州師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 江蘇 徐州 221116)

0 引言

碳納米管具有獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)，基于碳納米管的傳感器[1-2]、場效應(yīng)晶體管[3-4]和場發(fā)射平板顯示器[5-6]等納電子器件已成為納米技術(shù)研究的重要方向和熱點(diǎn).由于碳納米管不易操控，難以與金屬電極形成牢固可靠的接觸，導(dǎo)致碳納米管與電極的接觸電阻高、接觸強(qiáng)度低.目前已經(jīng)開發(fā)了多種改善碳納米管與電極接觸性能的方法，如電子束焊接[7-8]、掃描探針顯微鏡焊接[9]、二次金屬包埋[10-11]、焦耳熱或高溫退火[12-13]等，這些方法都可以在一定程度上改善碳納米管與外部電極接觸的機(jī)械和電學(xué)性能，但是電子束和原子力顯微鏡焊接產(chǎn)率低、操作復(fù)雜；二次金屬包埋和高溫退火較為簡單，但是沉積金屬和高溫退火容易引入其他雜質(zhì)，對器件產(chǎn)生不利影響.

超聲焊接是一種新穎的碳納米管焊接技術(shù)[14-15]，該技術(shù)是在一定靜壓力下，利用超高頻、微振幅和超硬焊頭，使碳納米管與金屬電極之間形成長期穩(wěn)定的低電阻接觸和牢固可靠的機(jī)械連接.在已有的關(guān)于超聲焊接的文獻(xiàn)中，很少有關(guān)于焊接參數(shù)的報(bào)道.焊接時(shí)間是焊接工藝中最具操作性的參數(shù)，對焊接質(zhì)量影響很大，由于碳納米管納米級的尺度，對焊接條件要求更高.作者研究了焊接時(shí)間對碳納米管-Ti樣品焊接效果的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)中采用兩種樣品進(jìn)行研究，一種是金屬Ti表面電泳碳納米管薄膜，用來研究焊接時(shí)間對碳納米管表面形貌的影響；另一種是Ti-碳納米管-Ti結(jié)構(gòu)樣品，用來研究焊接時(shí)間對器件兩端電阻的影響.

碳納米管薄膜樣品采用電泳沉積制備.將4 mg酸化處理后的多壁碳納米管加入到400 mL無水乙醇中，同時(shí)加入10 mg Mg(NO3)2·6H2O，配制成碳納米管電泳溶液.將上述溶液超聲1 h，靜置2 d后濾出上層清液待用.實(shí)驗(yàn)中陰極為表面濺射Ti的硅片，陽極為不銹鋼片，保持兩電極之間的距離為2 cm，電泳電壓為20 V.

為了表征碳納米管-金屬焊接前后的電學(xué)特性，采用雙向電泳方法在微電極間組裝單壁碳納米管，測量焊接前后電極間電流-電壓(I-U)特性曲線.使用lift-off微加工工藝制備間距約為1 μm的Ti電極對，在電極間施加高頻交流電場，將分散良好的單壁碳納米管溶液滴加在電極間，待溶液干燥后得到組裝好的Ti-碳納米管-Ti樣品.

利用掃描電子顯微鏡(SEM, FEI SIRION 200)和三維輪廓儀(WYKO NT1100，Veeco)分析碳納米管的表面形貌，焊接前后樣品的兩端電阻利用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀(Agilent 4156C)進(jìn)行測量.

2 結(jié)果和討論

圖1是電泳沉積碳納米管的表面形貌圖.從圖1(a)的掃描電子顯微鏡圖可以看出，碳納米管在金屬表面均勻分散，沒有出現(xiàn)大量團(tuán)聚的現(xiàn)象.圖1(b)的三維輪廓分析可以得到樣品的表面均方根粗糙度為19.22 nm，這種小的起伏有利于焊頭與樣品的緊密接觸，從而保證超聲能量有效傳輸，使碳納米管均勻可靠焊接.

(a)掃描電鏡圖；(b)表面輪廓圖圖1 電泳沉積碳納米管的表面形貌Fig.1 Morphology of the electrophoretically deposited carbon nanotubes

圖2是焊接時(shí)間分別為0.01，0.1，1,15 s的SEM圖.從圖中可以看出，焊接時(shí)間過短(0.01 s)，超聲振動能量沒有有效傳遞到金屬表面，碳納米管與Ti之間不能形成良好的接觸.隨著焊接時(shí)間的延長，碳納米管與金屬的接觸越來越好.當(dāng)焊接時(shí)間為1 s時(shí)，碳納米管與Ti緊密結(jié)合，碳納米管埋入金屬基體，如圖2(c)中插圖所示.但是時(shí)間過長(15 s)，在超聲能量作用下，碳納米管被剪切變短，金屬表面被破壞，雖然部分碳納米管也能埋入金屬基體形成接觸，但是基體的破壞限制了超聲焊接的應(yīng)用.

圖3是焊接時(shí)間為0.1 s和1 s樣品焊接前后的I-U特性曲線，插圖是樣品測量示意圖.從圖中可以看出，對于焊接時(shí)間為0.1 s和1 s的樣品，兩端電阻分別由焊接前的1.5×104Ω和1.3×107Ω下降到2×103Ω和7×104Ω.兩端電阻的顯著降低是因?yàn)楦哳l超聲能量的“超聲軟化效應(yīng)”，碳納米管在焊接壓力的作用下被嵌入到軟化的金屬電極中，增大了碳納米管與電極間的有效接觸面積，導(dǎo)致碳納米管與電極間形成更好的電學(xué)接觸.另外，高頻超聲的振動摩擦可在碳納米管與金屬的接觸處形成瞬間高溫，具有清潔接觸表面的作用，使得接觸處的雜質(zhì)或其他吸附物脫附，形成良好的接觸界面.當(dāng)焊接時(shí)間過短時(shí)(0.01 s)，振動能量來不及傳遞到焊件，造成焊接不良，樣品的兩端電阻沒有明顯的變化.焊接時(shí)間過長(15 s)，由于輸入焊件的能量過大，容易引起金屬微電極的破壞，焊接后樣品的兩端電阻無窮大.

圖3 焊接時(shí)間為0.1 s (a)和1 s(b)樣品的I-U特性曲線Fig.3 Typical I-U curves of samples welded for 0.1 s (a) and 1 s (b)

3 結(jié)論

利用超聲能量焊接金屬Ti上的碳納米管，在0.1～10 s的焊接時(shí)間范圍內(nèi)，碳納米管可以嵌入到軟化的金屬基體，從而形成緊密的碳納米管-金屬接觸.通過研究金屬-Ti-金屬結(jié)構(gòu)樣品焊接前后的兩端電阻變化，發(fā)現(xiàn)這種緊密接觸大大減小了樣品的兩端電阻，表明超聲焊接可以降低碳納米管-Ti的接觸電阻，這為解決碳納米管與電極的接觸問題提供了一種新的途徑.

參考文獻(xiàn)：

[1] Penza M, Rossi R, Alvisi M, et al. Metalloporphyrins-modified carbon nanotubes networked films-based chemical sensors for enhanced gas sensitivity [J]. Sens Actuators B, 2010, 144(2): 387-394.

[2] 陳曉航, 王雨化, 徐東, 等. 基于碳納米管的呼吸傳感器及便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版, 2010, 42(3): 80-83.

[3] Javey A, Guo J, Wang Q, et al. Ballistic carbon nanotube field-effect transistors [J]. Nature, 2003, 424(6949): 654-657.

[4] Ishii A, Takeda S, Hattori S, et al. Ultrasensitive detection of organophosphate insecticides by carbon nanotube field-effect transistor [J]. Colloids Surf A： Physicochemical and Engineering Aspects, 2008, 313/314: 456-460.

[5] 樊志琴, 姚寧, 楊仕娥, 等. 不銹鋼襯底碳納米管薄膜的場發(fā)射特性 [J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版，2004, 36(2): 45-49.

[6] Wang F H, Lin T C, Tzeng S D. Field emission properties of carbon nanotube cathodes produced using composite plating [J]. Appl Surf Sci, 2010, 256(24): 7600-7605.

[7] Madsen D N, Molhave K, Mateiu R, et al. Soldering of nanotubes onto microelectrodes [J]. Nano Lett, 2003, 3(1): 47-49.

[8] Yu M, Dyer M J, Skidmore G D, et al. Three-dimensional manipulation of carbon nanotubes under a scanning electron microscope [J]. Nanotechnology, 1999, 10(3): 244-252.

[9] 于海波, 董再勵(lì), 李文榮. 基于原子力顯微鏡的碳納米管焊接 [J]. 納米技術(shù)與精密工程, 2010, 8(3): 226-230.

[10] Liebau M, Unger E, Duesberg G S, et al. Contact improvement of carbon nanotubes via electroless nickel deposition [J]. Appl Phys A, 2003, 77(6): 731-734.

[11] Seidel R, Liebau M, Duesberg G S, et al. In-situ contacted single-walled carbon nanotubes and contact improvement by electroless deposition [J]. Nano Lett, 2003, 3(7): 965-968.

[12] Dong L, Youkey S, Bush J, et al. Effects of local Joule heating on the reduction of contact resistance between carbon nanotubes and metal electrodes [J]. J Appl Phys, 2007, 101(2): 024320-7.

[13] 譚苗苗, 葉雄英, 王曉浩, 等. 利用退火的碳納米管與金屬接觸特性的改善 [J]. 功能材料與器件學(xué)報(bào), 2008, 14(1): 227-230.

[14] Chen Changxin, Liu Liyue, Lu Yang, et al. A method for creating reliable and low-resistance contacts between carbon nanotubes and microelectrodes [J]. Carbon, 2007, 45(2): 436-442.

[15] Chen Changxin, Yan Lijun, Kong E S W, et al. Ultrasonic nanowelding of carbon nanotubes to metal electrodes [J]. Nanotechnology, 2006, 17(9): 2192-2197.