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碳纳米管/金属界面键合机制及其相关技术研究

宋晓辉  
【摘要】: 碳纳米管作为纳米结构材料的典型代表,以其奇特的纳米尺度一维结构特性和显著的机械、电学、热学、光学、生物等性能而成为新一代纳电子器件制造的关键材料。尽管在实际应用中碳纳米管的装配方法及所实现的功能各异,但其基本结构形式主要是碳纳米管与金属之间的互连。在这个过程中,所面临的关键和共性问题是如何形成碳纳米管与金属间的有效接触,以保证界面具有可靠的机械连接和高效的能量传递机制。然而,目前的研究主要集中在理想接触界面的能量传递规律,缺乏对键合过程中界面微观结构演化规律的研究,同时在工艺上如何实现碳纳米管与金属表面的键合也值得进一步研究。 本文基于分子动力学方法研究了碳纳米管与金属间界面键合的物理机制,分析影响界面键合的因素,并针对性地提出适合碳纳米管与金属键合的有效方法;最后,结合碳纳米管在电子封装中的应用,实现垂直定向碳纳米管阵列与金属衬底的键合及转移。主要研究内容包括: 1)建立碳纳米管/金属键合过程的原子模型,分子动力学仿真结果表明:碳纳米管与金属表面键合的主要物理机制包括金属的表面熔化和金属原子对碳纳米管表面的浸润,键合界面的主要结构形式为金属浸入大直径的碳纳米管内形成纳米线,同时金属原子迁移至碳纳米管外表面,对碳纳米管形成包覆。一方面,金属的表面熔化行为使碳纳米管与金属间的键合可以在低于金属熔点的温度下进行;另一方面,金属原子对碳纳米管表面的浸润与否取决于碳纳米管对该金属原子的吸附力与金属原子间聚合力之比;此外,界面电荷也可以促进碳纳米管与金属表面的键合,使浸润性差的金属也能与碳纳米管间实现良好键合。 2)根据模拟结果,提出利用高频感应加热实现水平定向碳纳米管与金属电极间的界面键合。高频感应加热过程中金属表面的高电荷密度有助于碳纳米管与浸润性差的金属键合,从而增加了碳纳米管器件制造中金属材料的选择范围。同时,感应加热的非接触方式可以实现对衬底上多个互连结构的界面键合。键合后碳纳米管/金属电极间的接触电阻降低了96%以上。 3)提出利用纳米界面热压键合的方法实现了垂直定向碳纳米管阵列与金属衬底的键合。纳米接触界面可以有效促进界面原子间的相互扩散。实验中通过金属沉积,在碳纳米管端部形成纳米金属团簇,然后在一定的温度和压力下实现了碳纳米管同金属衬底的有效键合。对键合界面的剥离实验表明,垂直定向碳纳米管与金属衬底间的键合强度高,以至于剥离后部分碳纳米管发生断裂;电学性能测试表明,键合后碳纳米管与金属衬底形成良好的欧姆接触,电阻率约为9 x10-7?m。 本文研究结果揭示了碳纳米管与金属键合过程的物理机制,并提出了实现碳纳米管/金属界面键合的技术方法,为碳纳米管器件的制备以及纳米封装技术应用打下了基础。


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