專利名稱：電阻焊連接碳納米管與金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳納米管與金屬連接方法。
背景技術(shù)：
碳納米管材料自從1991年被日本科學(xué)家飯島發(fā)現(xiàn)以來，一直倍受廣大研究工作者的關(guān)注。因其具有奇特的電磁學(xué)性能、力學(xué)性能和化學(xué)性能，其在傳感器、復(fù)合材料、超級電容器等各個(gè)領(lǐng)域均已相對于傳統(tǒng)材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，體現(xiàn)出了自身獨(dú)特的價(jià)值。在微電子電路的微連接領(lǐng)域中，因其特殊的電子能帶結(jié)構(gòu)，波失被限定于軸向，量子效應(yīng)非常明顯，研究發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管可以作為真正的量子導(dǎo)線，而金屬性碳納米管的導(dǎo)電能力比金屬界導(dǎo)電能力數(shù)一數(shù)二的銅還要高出兩個(gè)數(shù)量級。然而，就目前的研究工作來看，將碳納米管作為量子導(dǎo)線應(yīng)用于微電子電路中，最主要的困難就是實(shí)現(xiàn)碳納米管與金屬之間高效可靠的連接。因?yàn)樘技{米管是一維納米材料，所以很多普通的宏觀焊接方法，如電弧焊、釬焊等很難在碳納米管的連接上得到應(yīng)用。從現(xiàn)有的技術(shù)文獻(xiàn)來看，碳納米管連接方法往往都需要用到納米級精巧的操控裝置來對單根的碳納米管進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)向以及將兩根碳納米管進(jìn)行對準(zhǔn)。然而這本身就存在兩個(gè)重要問題，一方面是連接效率低，每次只能實(shí)現(xiàn)一對碳納米管的連接，另一方面是技術(shù)難度大，連接條件要求苛刻，因此也就必然導(dǎo)致連接成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有連接碳納米管與金屬方法存在連接效率低和控制難度大的技術(shù)問題；而提供了電阻焊連接碳納米管與金屬的方法。本發(fā)明電阻焊連接碳納米管與金屬的方法是按下述步驟進(jìn)行的步驟一、將導(dǎo)電基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂紙上進(jìn)行逐級拋光(一是去掉氧化膜，增加其與碳納米管的親和性，二是改善表面光潔度，增大其與碳納米管的接觸面積，利于牢固地將碳納米管吸附在基板上)；步驟二、將經(jīng)拋光處理的導(dǎo)電基板放入容器中，其中拋光面向上，然后向容器中倒入溶劑A，再加入碳納米管，超聲分散，靜置至溶劑A完全揮發(fā)(碳納米管可以均勻并比較穩(wěn)定地平鋪在導(dǎo)電基板的表面)，再超聲清洗(洗掉吸附不牢固的碳納米管)后取出；步驟三、將金屬絲的待焊端豎直向下伸入腐蝕液的液面下2 3毫米后固定，然后靜置，待金屬絲端部脫離腐蝕液表面，取下金屬絲(金屬絲的端部區(qū)域微觀成針狀)，其中所述金屬絲的直徑為20 25 μ m ；步驟四、將步驟二處理的導(dǎo)電基板用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陰極上，同時(shí)將經(jīng)步驟三處理的金屬絲用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陽極上，導(dǎo)電基板吸附有碳納米管的一側(cè)向上，金屬絲的待焊端向下，然后向電阻焊機(jī)通入保護(hù)介質(zhì)后再控制金屬絲向碳納米管靠近(或者直接控制金屬絲向碳納米管靠近)，并加以80 100V的電壓，打火后金屬絲回退，然后放在溶劑B中用80 90W超聲進(jìn)行清洗30 60min ；即實(shí)現(xiàn)了碳納米管與金屬的連
接。 本發(fā)明的步驟二還可按下述步驟進(jìn)行將碳納米管加入溶劑A后超聲分散，然后逐滴滴在經(jīng)拋光處理的導(dǎo)電基板的拋光面上，干燥至溶劑完全揮發(fā)。本發(fā)明采用將大量碳納米管物理吸附在導(dǎo)電基板上來作為碳納米管源的方法，在接過程中只需要控制相對容易控制得多的金屬絲和導(dǎo)電基板，克服了碳納米管連接技術(shù)中控制困難的問題；同時(shí)，在金屬絲(陽極)與碳納米管(陰極)相互靠近時(shí)，由于金屬絲端部的曲率極大，產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，于是電場力克服碳納米管與基板之間的吸附力，使碳納米管向金屬絲的方向伸出并與達(dá)到能與金屬絲接觸的水平，進(jìn)一步降低了金屬絲與導(dǎo)電基板之間距離的要求，從而提高了連接效率。


圖1是具體實(shí)施方式
十九的碳納米管在金絲端部連接的電鏡掃描圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式中電阻焊連接碳納米管與金屬的方法是按下述步驟進(jìn)行的步驟一、將導(dǎo)電基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂紙上進(jìn)行逐級拋光；步驟二、將經(jīng)拋光處理的導(dǎo)電基板放入容器中，其中拋光面向上，然后向容器中倒入溶劑A，再加入碳納米管，超聲分散，靜置至溶劑A完全揮發(fā)，再超聲清洗后取出；步驟三、將金屬絲的待焊端豎直向下伸入腐蝕液的液面下2 3毫米后固定，然后靜置，待金屬絲端部脫離腐蝕液表面，取下金屬絲，其中所述金屬絲的直徑為20 25μπι ；步驟四、將步驟二處理的導(dǎo)電基板用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陰極上，同時(shí)將經(jīng)步驟三處理的金屬絲用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陽極上，導(dǎo)電基板吸附有碳納米管的一側(cè)向上，金屬絲的待焊端向下，然后向電阻焊機(jī)通入保護(hù)介質(zhì)后再控制金屬絲向碳納米管靠近(或者直接控制金屬絲向碳納米管靠近)，并加以80 100V的電壓，打火后金屬絲回退， 然后放在溶劑B中用80 90W超聲進(jìn)行清洗30 60min ；即實(shí)現(xiàn)了碳納米管與金屬的連接。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟一所述導(dǎo)電基板的材料為金、銀或銅。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同的是步驟二所述溶劑 A為十二烷基硫酸鈉的去離子水溶液或者丙酮。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟二超聲分散所用的功率為100 120W，超聲分散耗時(shí)為2 3h。其它步驟和參數(shù)與
具體實(shí)施例方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四之一不同的是步驟二超聲清洗所用的功率為80 90W，超聲清洗耗時(shí)為30 60min。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四之一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟三所述的金屬絲為金絲或銅絲。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六之一不同的是步驟三所述腐蝕液是王水。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至六之一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七之一不同的是步驟四所述保護(hù)介質(zhì)是煤油。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七之一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至八之一不同的是步驟四所述溶劑B為丙酮。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至八之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式中電阻焊連接碳納米管與金屬的方法是按下述步驟進(jìn)行的步驟一、將導(dǎo)電基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂紙上進(jìn)行逐級拋光；步驟二、將碳納米管加入溶劑A后超聲分散，然后逐滴滴在經(jīng)拋光處理的導(dǎo)電基板的拋光面上，干燥至溶劑完全揮發(fā)；步驟三、將金屬絲的待焊端豎直向下伸入腐蝕液的液面下2 3毫米后固定，然后靜置，待金屬絲端部脫離腐蝕液表面，取下金屬絲，其中所述金屬絲的直徑為20 25μπι ；步驟四、將步驟二處理的導(dǎo)電基板用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陰極上，同時(shí)將經(jīng)步驟三處理的金屬絲用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陽極上，導(dǎo)電基板吸附有碳納米管的一側(cè)向上，金屬絲的待焊端向下，然后向電阻焊機(jī)通入保護(hù)介質(zhì)后再控制金屬絲向碳納米管靠近或者直接控制金屬絲向碳納米管靠近，并加以80 100V的電壓，打火后金屬絲回退，然后放在溶劑B中用80 90W超聲進(jìn)行清洗30 60min ；即實(shí)現(xiàn)了碳納米管與金屬的連接。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同的是步驟一所述導(dǎo)電基板的材料銀或銅。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十相同。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十或十一不同的是步驟二所述溶劑A為十二烷基硫酸鈉的去離子水溶液或者丙酮。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十或十一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十至十二之一不同的是步驟二超聲分散所用的功率為100 120W，超聲分散耗時(shí)為2 3h。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十至十二之一相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十至十三之一不同的是步驟二超聲清洗所用的功率為80 90W，超聲清洗耗時(shí)為30 60min。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十至十三之一相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十至十四之一不同的是步驟三所述的金屬絲為金絲或銅絲。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十至十四之一相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式與具體實(shí) 施方式十至十五之一不同的是步驟三所述腐蝕液是王水。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十至十五之一相同。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十至十六之一不同的是步驟四所述保護(hù)介質(zhì)是煤油。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十至十六之一相同。
具體實(shí)施方式
十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十至十七之一不同的是步驟四所述溶劑B為丙酮。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十至十七之一相同。
具體實(shí)施方式
十九本實(shí)施方式中電阻焊連接碳納米管與金屬的方法是按下述步驟進(jìn)行的步驟一、將銅片的一面在800#、2000#和3000#金相砂紙上進(jìn)行逐級拋光(一是去
掉氧化膜，增加其與碳納米管的親和性，二是改善表面光潔度，增大其與碳納米管的接觸面積，利于牢固地將碳納米管吸附在基板上)；步驟二、將經(jīng)拋光處理的銅片放入容器中，其中拋光面向上，然后向容器中倒入一厘米高的丙酮中，再加入3mg碳納米管，在100瓦條件下超聲分散60min，靜置至溶劑A完全揮發(fā)(此時(shí)碳納米管可以均勻并比較穩(wěn)定地平鋪在銅片表面)，再超聲清洗(洗掉吸附不牢固的碳納米管)后取出；步驟三、將金絲的待焊端豎直向下伸入腐蝕液的液面下2. 5毫米后固定，然后靜置，待金絲端部脫離腐蝕液表面，取下金絲(金絲的端部區(qū)域微觀成針狀)，其中所述金絲的直徑為20 μ m ；步驟四、將步驟二處理的銅片用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陰極上，同時(shí)將經(jīng)步驟三處理的金絲用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陽極上，銅片吸附有碳納米管的一側(cè)向上，金絲的待焊端向下，然后向電阻焊機(jī)通入保護(hù)介質(zhì)后再控制金絲向碳納米管靠近，并加以100V 的電壓，打火后金絲回退，然后放在溶劑B中用80W超聲進(jìn)行清洗60min ；即實(shí)現(xiàn)了碳納米管與金屬的連接。碳納米管在金絲端部的連接如圖1所示，由圖1可知碳納米管與金絲穩(wěn)固的連接
在一起。
具體實(shí)施方式
二十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十九不同的是步驟二采用質(zhì)量濃度為十二烷基硫酸鈉的去離子水溶液代替丙酮，碳納米管用量為lmg。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十九相同。
具體實(shí)施方式
二十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十九不同的是步驟四中將步驟二處理的銅片用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陰極上，同時(shí)將經(jīng)步驟三處理的金絲用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陽極上，銅片吸附有碳納米管的一側(cè)向上，金絲的待焊端向下，直接控制金絲向碳納米管靠近，并加以100V的電壓，打火后金絲回退，然后放在溶劑B中用90W超聲進(jìn)行清洗30min ；即實(shí)現(xiàn)了碳納米管與金屬的連接。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十九相同。本實(shí)施方式的連接成功率有所提高，出現(xiàn)多根碳納米管同時(shí)連接到金絲的現(xiàn)象。
具體實(shí)施方式
二十二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十九不同的是步驟三用銅絲替換金絲。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十九相同。
具體實(shí)施方式
二十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十九不同的是步驟一用鋁片替換銅片。其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式
十九相同。
具體實(shí)施方式
二十四本實(shí)施方式中電阻焊連接碳納米管與金屬的方法是按下述步驟進(jìn)行的步驟一、將銅片的一面在800#、2000#和3000#金相砂紙上進(jìn)行逐級拋光(一是去
掉氧化膜，增加其與碳納米管的親和性，二是改善表面光潔度，增大其與碳納米管的接觸面積，利于牢固地將碳納米管吸附在基板上)；步驟二、將碳納米管加入溶劑A后在超聲功率為99瓦條件下下超聲分散1小時(shí)， 然后逐滴滴在經(jīng)拋光處理的導(dǎo)電基板的拋光面上，在80°C條件下干燥至溶劑完全揮發(fā)；步驟三、將金 絲的待焊端豎直向下伸入腐蝕液的液面下2. 5毫米后固定，然后靜置，待金絲端部脫離腐蝕液表面，取下金絲(金絲的端部區(qū)域微觀成針狀)，其中所述金絲的直徑為20 μ m ；步驟四、將步驟二處理的銅片用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陰極上，同時(shí)將經(jīng)步驟三處理的金絲用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陽極上，銅片吸附有碳納米管的一側(cè)向上，金絲的待焊端向下，然后向電阻焊機(jī)通入保護(hù)介質(zhì)后再控制金絲向碳納米管靠近，并加以100V 的電壓，打火后金絲回退，然后放在溶劑B中用80W超聲進(jìn)行清洗60min ；即實(shí)現(xiàn)了碳納米管與金屬的連接。
權(quán)利要求
1.電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于電阻焊連接碳納米管與金屬的方法是按下述步驟進(jìn)行的步驟一、將導(dǎo)電基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂紙上進(jìn)行逐級拋光；步驟二、將經(jīng)拋光處理的導(dǎo)電基板放入容器中，其中拋光面向上，然后向容器中倒入溶劑A，再加入碳納米管，超聲分散，靜置至溶劑A完全揮發(fā)，再超聲清洗后取出；步驟三、將金屬絲的待焊端豎直向下伸入腐蝕液的液面下2 3毫米后固定，然后靜置，待金屬絲端部脫離腐蝕液表面，取下金屬絲，其中所述金屬絲的直徑為20 25μπι ；步驟四、將步驟二處理的導(dǎo)電基板用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陰極上，同時(shí)將經(jīng)步驟三處理的金屬絲用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陽極上，導(dǎo)電基板吸附有碳納米管的一側(cè)向上，金屬絲的待焊端向下，然后向電阻焊機(jī)通入保護(hù)介質(zhì)后再控制金屬絲向碳納米管靠近或者直接控制金屬絲向碳納米管靠近，并加以80 100V的電壓，打火后金屬絲回退，然后放在溶劑B中用80 90W超聲進(jìn)行清洗30 60min ；即實(shí)現(xiàn)了碳納米管與金屬的連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于步驟一所述導(dǎo)電基板的材料為金、銀或銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于步驟二所述溶劑A為十二烷基硫酸鈉的去離子水溶液或者丙酮。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于步驟二超聲分散所用的功率為100 120W，超聲分散耗時(shí)為2 3h。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于步驟二超聲清洗所用的功率為80 90W，超聲清洗耗時(shí)為30 60min。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于步驟三所述的金屬絲為金絲或銅絲。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于步驟三所述腐蝕液是王水。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于步驟四所述保護(hù)介質(zhì)是煤油。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于步驟四所述溶劑B為丙酮。
10.電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，其特征在于電阻焊連接碳納米管與金屬的方法是按下述步驟進(jìn)行的步驟一、將導(dǎo)電基板的一面在800#、2000#和3000#金相砂紙上進(jìn)行逐級拋光；步驟二、將碳納米管加入溶劑A后超聲分散，然后逐滴滴在經(jīng)拋光處理的導(dǎo)電基板的拋光面上，干燥至溶劑完全揮發(fā)；步驟三、將金屬絲的待焊端豎直向下伸入腐蝕液的液面下2 3毫米后固定，然后靜置，待金屬絲端部脫離腐蝕液表面，取下金屬絲，其中所述金屬絲的直徑為20 25μπι ；步驟四、將步驟二處理的導(dǎo)電基板用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陰極上，同時(shí)將經(jīng)步驟三處理的金屬絲用導(dǎo)電膠固定在電阻焊機(jī)的陽極上，導(dǎo)電基板吸附有碳納米管的一側(cè)向上，金屬絲的待焊端向下，然后向電阻焊機(jī)通入保護(hù)介質(zhì)后再控制金屬絲向碳納米管靠近或者直接控制金屬絲向碳納米管靠近，并加以80 100V的電壓，打火后金屬絲回退，然后放在溶劑B中用80 90W超聲進(jìn) 行清洗30 60min ；即實(shí)現(xiàn)了碳納米管與金屬的連接。
全文摘要
電阻焊連接碳納米管與金屬的方法，它涉及碳納米管與金屬連接方法。本發(fā)明要解決現(xiàn)有連接碳納米管與金屬方法存在連接效率低和控制難度大的技術(shù)問題。本發(fā)明方法一、導(dǎo)電基板拋光；二、導(dǎo)電基板吸附碳納米管；三、金屬絲的待焊端腐蝕；四、電阻焊；完成碳納米管與金屬的連接。本發(fā)明在連接過程中只需要控制相對容易控制得多的金屬絲和導(dǎo)電基板，克服了碳納米管連接技術(shù)中控制困難的問題。金屬絲與碳納米管相互靠近時(shí)，由于金屬絲端部的曲率極大，產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，于是電場力克服碳納米管與基板之間的吸附力，使碳納米管向金屬絲的方向伸出并與達(dá)到能與金屬絲接觸的水平，從而提高了連接效率。
文檔編號B23K11/34GK102363240SQ20111017673
公開日2012年2月29日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者何鵬, 徐的, 林鐵松 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)