01 Введение
Благодаря постоянному развитию науки и техники и широкому применению новых материалов современное производство быстро развивается в направлении легких, миниатюрных и высокоточных-прецизионных изделий. В таких областях, как микроэлектроника, оптоэлектроника и микро-электромеханические системы (МЭМС), соединение и интеграция микро-наноструктур особенно важны. Традиционные методы обработки, такие как обработка лазером с длинными-импульсами или электроэрозионная обработка, часто имеют значительные зоны термического-воздействия (HAZ), что может легко привести к деформации материала, микротрещинам или повторному формованию слоев, что затрудняет выполнение требований к высокой-точности межсоединений на микро- и наноуровне. Сверхбыстрые лазеры, обычно относящиеся к лазерам с шириной импульса в фемтосекундном (фс) или пикосекундном (пс) диапазоне, представляют собой новое решение для точного производства благодаря чрезвычайно высокой пиковой плотности мощности и сверх-короткому времени взаимодействия. В частности, сверхбыстрая лазерная микро-наносварка (Nano Welding) позволяет преодолеть термодиффузионные ограничения традиционной сварки и добиться точных соединений на микро-наноуровне. Эта технология использует нелинейные эффекты сверхбыстрого лазерного взаимодействия с материалами для достижения плавления и соединения на чрезвычайно малых участках, избегая при этом повреждения окружающих структур. Основываясь на последних достижениях в области сверхбыстрой лазерной обработки микроструктур, эта статья посвящена объяснению основных принципов сверхбыстрой лазерной микро-наносварки, ключевых параметров процесса и ее типичных применений в различных системах материалов.
02 Принцип сверхбыстрой лазерной сварки-
Основной механизм сверхбыстрой лазерной микро-наносварки заключается в термодинамическом процессе и эффекте локального усиления поля. Основной принцип заключается в том, что за счет взаимодействия сверхбыстрого лазера с материалом контактная поверхность свариваемых микроструктур подвергается локальному плавлению, тем самым устраняя зазоры и образуя устойчивое соединение. В процессе сварки субволновых структур, таких как нанопроволоки, фемтосекундное лазерное облучение может вызвать локализованный плазменный резонанс, который генерирует локализованные высокотемпературные поля -в точках пересечения или областях контакта нанопроволок, что позволяет соединять, резать или изменять форму нанопроволок. Существенным преимуществом этой технологии является ее чрезвычайно высокая термическая локализация. Благодаря сверхкороткой ширине импульса сверхбыстрого лазера (обычно в фемтосекундном масштабе) диффузия тепла значительно подавляется, что позволяет общей температуре достичь равновесия в течение 10⁻¹² секунд. Этот сверхбыстрый механизм тепловой релаксации гарантирует, что высокие температуры ограничиваются только локальными областями, где возникает плазменный резонанс, в то время как области структуры нанопроволоки за пределами зоны резонанса не повреждаются высокой температурой, тем самым сохраняя общую структурную целостность устройства. Кроме того, выбор параметров сварочного процесса оказывает решающее влияние на качество сварного шва. Исследования показали, что использование высокой частоты повторения импульсов в сочетании с низкой энергией импульса позволяет эффективно уменьшить образование хрупких интерметаллидов, снизить возникновение дефектов сварки и предотвратить чрезмерную абляцию металлического материала.
Рис. 1. Принципиальная схема нелинейной ионизации, эволюции плазмы и термодинамических механизмов сверхбыстрого лазерного взаимодействия с кремнием.
Рисунок 2. Сравнение механизмов энерговыделения и процессов фазового превращения металлов и не-металлических материалов при сверхбыстрой лазерной микро-наносварке.
03 Применение сверхбыстрой лазерной сварки
В настоящее время технология сверхбыстрой лазерной микро-наносварки широко применяется для соединения различных проводящих микро-наноструктур. В зависимости от характеристик материала ее можно в основном разделить на сварку микро-наноструктур металлов, сварку полупроводниковых наноматериалов и гетеропереходную сварку разнородных материалов. В этих трех сценариях применения сверхбыстрые лазеры продемонстрировали значительные преимущества по сравнению с традиционными процессами.
Что касается точного соединения металлических микро-наноструктур, традиционные технологии микро-сварки часто сталкиваются с серьезными эффектами перегрева при работе с металлическими проволоками микронного- или нанометрового- размера из-за сложности точного контроля подвода тепла. Эта чрезмерная термическая нагрузка не только легко плавит тонкую металлическую проволоку, но также имеет тенденцию образовывать хрупкие интерметаллические соединения на стыках разнородных металлов, что приводит к низкой механической прочности и частым дефектам сварки. Напротив, сверхбыстрая лазерная сварка, используя уникальную стратегию процесса, сочетающую высокую частоту повторения импульсов с низкой энергией импульса, эффективно решает эти проблемы. Такое сочетание высокой частоты повторения и низкой энергии обеспечивает накопление достаточной энергии для сварки, одновременно значительно уменьшая чрезмерную абляцию металлического материала, тем самым эффективно подавляя образование хрупких интерметаллических соединений и сводя к минимуму дефекты сварки.
В конкретных приложениях исследователи первыми применили эту технологию для сварки серебряных микро-проволок с медными подложками, продемонстрировав ее потенциал в микроэлектронных соединениях. Кроме того, исследователи успешно сварили нанопроволоки однородного металла Ag-Ag, используя ультракороткие импульсы длительностью 35 фс и плотность энергии примерно 90 мДж/см². Полученные соединения не только остались структурно неповрежденными, но также сохранили превосходную электропроводность и механическую прочность.
При неразрушающем соединении полупроводниковых наноматериалов традиционные процессы глобального нагрева или контактной сварки могут легко повредить кристаллическую структуру нанопроволок или вызвать термическое повреждение в не-сварных зонах из-за высокой хрупкости и термической чувствительности полупроводниковых материалов. Сверхбыстрая лазерная сварка решает эту проблему благодаря уникальному механизму локализованного плазменного резонанса. Когда фемтосекундное лазерное облучение применяется к нанопроволокам, в местах пересечений или соединений индуцируется локализованный плазменный резонанс, генерирующий локализованные высокие температуры для обеспечения сварки, резки или изменения формы. Поскольку время действия сверхбыстрого лазера чрезвычайно короткое, диффузия тепла достигает равновесия в пикосекундном диапазоне (10^-12 секунд), а это означает, что генерируемая высокая температура строго ограничена локальной резонансной областью, оставляя структуры нанопроволоки за пределами резонансной зоны полностью неповрежденными.
Основываясь на этом принципе, исследователи успешно добились сварки гомогенных полупроводниковых нанопроволок ZnO-ZnO. При ширине импульса 35 фс и плотности энергии 77,6 мДж/см² после 30 секунд облучения нанопроволоки были прочно и неразрушающе соединены. Этот прорыв обеспечивает эффективный и точный бесконтактный метод обработки для сборки всех-оксидных фотодетекторов и датчиков.
Технология сверхбыстрой лазерной микро-наносварки с чрезвычайно короткой длительностью импульса и чрезвычайно высокой пиковой мощностью преодолела ограничения традиционных методов сварки в контроле тепловых эффектов и стала незаменимым инструментом в области микро-нанопроизводства. Благодаря локализованному плазменному резонансу и механизмам нелинейного поглощения эта технология позволяет добиться точного плавления и соединения материалов в чрезвычайно малых пространственных и временных масштабах, эффективно избегая термического повреждения окружающих микро-наноструктур. От металлических микропроводов до полупроводниковых нанопроводов и даже сложных соединений гетерогенных материалов — сверхбыстрая лазерная сварка продемонстрировала широкую адаптируемость материалов и превосходное качество обработки. Ожидается, что в будущем, благодаря более глубоким исследованиям механизмов взаимодействия лазерного-вещества и дальнейшему улучшению характеристик лазера, сверхбыстрая лазерная микро-наносварка, как ожидается, будет играть еще более важную роль в производстве гибкой электроники, нано-оптоэлектронных устройств и высокоинтегрированных датчиков, что приведет к повышению точности и эффективности технологии микро-нанопроизводства.
