01 Pengenalan
Dengan kemajuan sains dan teknologi yang berterusan serta penggunaan bahan baharu yang meluas, pembuatan moden berkembang pesat ke arah arah yang ringan, kecil dan{0}}berjimat tinggi. Dalam bidang seperti mikroelektronik, optoelektronik dan mikro-sistem elektromekanikal (MEMS), sambungan dan penyepaduan mikro-struktur nano amat penting. Kaedah pemprosesan tradisional, seperti-pemprosesan laser nadi panjang atau pemesinan nyahcas elektrik, selalunya disertakan dengan haba yang ketara-zon terjejas (HAZ), yang boleh membawa kepada ubah bentuk bahan, retakan mikro atau lapisan tuang semula, menjadikannya sukar untuk memenuhi keperluan-kepersisan tinggi pada skala mikro- dan nano. Laser ultra laju, biasanya merujuk kepada laser dengan lebar denyut dalam julat femtosaat (fs) atau picosecond (ps), menyediakan penyelesaian baharu untuk pembuatan ketepatan kerana ketumpatan kuasa puncak yang sangat tinggi dan masa interaksi ultra-pendek. Khususnya, kimpalan nano mikro-ultrapantas (Kimpalan Nano) boleh mengatasi had resapan terma kimpalan tradisional dan mencapai sambungan yang tepat pada skala nano-mikro. Teknologi ini menggunakan kesan tak linear interaksi laser ultrapantas dengan bahan untuk mencapai pencairan dan ikatan di kawasan yang sangat kecil sambil mengelakkan kerosakan pada struktur sekeliling. Berdasarkan kemajuan terkini dalam pemprosesan struktur mikro laser ultrafast, kertas kerja ini memfokuskan pada menerangkan prinsip asas kimpalan nano mikro laser ultrafast-, parameter proses utama dan aplikasi lazimnya dalam sistem bahan yang berbeza.
02 Prinsip Kimpalan Laser Ultra-Pantas
Mekanisme teras kimpalan nano mikro-ultrapantas laser terletak pada proses termodinamik dan kesan peningkatan medan tempatan. Prinsip asasnya ialah melalui interaksi antara laser ultrafast dan bahan, antara muka sentuhan struktur mikro yang akan dikimpal mengalami lebur tempatan, dengan itu menghapuskan jurang dan membentuk sambungan yang stabil. Dalam proses kimpalan untuk struktur subwavelength seperti wayar nano, penyinaran laser femtosaat boleh mendorong resonans plasma setempat, yang menjana medan suhu tinggi-setempat pada titik silang atau kawasan sentuhan wayar nano, membolehkan sambungan, pemotongan atau pembentukan semula wayar nano. Kelebihan ketara teknologi ini ialah penyetempatan haba yang sangat tinggi. Disebabkan oleh lebar nadi ultrapendek laser ultracepat (biasanya pada skala femtosaat), resapan haba ditindas dengan ketara, membolehkan suhu keseluruhan mencapai keseimbangan dalam masa 10⁻¹² saat. Mekanisme kelonggaran terma ultrafast ini memastikan bahawa suhu tinggi hanya terhad kepada kawasan tempatan di mana resonans plasma berlaku, manakala kawasan struktur wayar nano di luar zon resonans tidak rosak oleh suhu tinggi, dengan itu mengekalkan integriti struktur keseluruhan peranti. Di samping itu, pilihan parameter proses kimpalan mempunyai kesan yang menentukan terhadap kualiti kimpalan. Kajian telah menunjukkan bahawa menggunakan kadar pengulangan nadi yang tinggi digabungkan dengan tenaga nadi yang rendah dapat mengurangkan pembentukan sebatian antara logam rapuh secara berkesan, mengurangkan berlakunya kecacatan kimpalan, dan menghalang ablasi bahan logam yang berlebihan.
Rajah 1. Gambarajah skematik pengionan tak linear, evolusi plasma, dan mekanisme termodinamik interaksi laser ultrafast dengan silikon.
Rajah 2. Perbandingan mekanisme pemendapan tenaga dan proses transformasi fasa logam dan-bahan bukan logam dalam kimpalan nano mikro laser ultrafast-.
03 Aplikasi Kimpalan Laser Ultrapantas
Pada masa ini, teknologi kimpalan nano mikro-ultrapantas telah digunakan secara meluas pada penyambungan pelbagai struktur nano-konduktif. Bergantung pada ciri bahan, ia boleh dikategorikan terutamanya kepada kimpalan struktur nano-mikro logam, kimpalan bahan nano semikonduktor dan kimpalan heterojunction bagi bahan yang berbeza. Dalam tiga senario aplikasi ini, laser ultrafast telah menunjukkan kelebihan ketara berbanding proses tradisional.
Dari segi penyambungan tepat struktur mikro-nano logam, teknologi kimpalan-mikro tradisional sering menghadapi kesan limpahan haba yang teruk apabila mengendalikan wayar logam skala mikron- atau nanometer-, disebabkan kesukaran mengawal input haba dengan tepat. Beban terma yang berlebihan ini bukan sahaja mudah mencairkan wayar logam halus tetapi juga cenderung membentuk sebatian antara logam rapuh di persimpangan logam yang tidak serupa, mengakibatkan kekuatan mekanikal yang rendah dan kecacatan kimpalan yang kerap. Sebaliknya, kimpalan laser ultrapantas, dengan menggunakan strategi proses unik yang menggabungkan kadar pengulangan nadi tinggi dengan tenaga nadi rendah, mengatasi cabaran ini dengan berkesan. Sinergi kekerapan ulangan yang tinggi dan tenaga yang rendah ini memastikan pengumpulan tenaga yang mencukupi untuk kimpalan sambil dengan ketara mengurangkan ablasi bahan logam yang berlebihan, dengan itu secara berkesan menekan pembentukan sebatian antara logam rapuh dan meminimumkan kecacatan kimpalan.
Dalam aplikasi khusus, penyelidik adalah orang pertama yang menggunakan teknologi ini untuk mencapai kimpalan wayar-Ag mikro ke substrat Cu, menunjukkan potensinya dalam sambungan mikroelektronik. Selain itu, untuk dawai nano logam homogen Ag-Ag berskala nano, penyelidik berjaya mengimpal wayar nano menggunakan denyutan ultrashort 35 fs pada ketumpatan tenaga kira-kira 90 mJ/cm². Sambungan yang terhasil bukan sahaja utuh dari segi struktur tetapi juga mengekalkan kekonduksian elektrik dan kekuatan mekanikal yang sangat baik.
Dalam sambungan tanpa musnah bahan nano semikonduktor, pemanasan global konvensional atau proses kimpalan sentuhan boleh merosakkan struktur kristal wayar nano dengan mudah atau menyebabkan kerosakan haba di kawasan bukan-kimpalan disebabkan oleh kerapuhan dan kepekaan haba bahan semikonduktor yang tinggi. Kimpalan laser ultrafast menangani isu ini melalui mekanisme resonans plasma setempatnya yang unik. Apabila penyinaran laser femtosaat digunakan pada wayar nano, resonans plasma setempat teraruh di persimpangan atau persimpangan, menjana suhu tinggi setempat untuk mencapai kimpalan, pemotongan atau pembentukan semula. Oleh kerana masa tindakan laser ultrafast adalah sangat singkat, resapan haba mencapai keseimbangan dalam julat picosecond (10^-12 saat), bermakna suhu tinggi yang dijana adalah terhad kepada kawasan resonan tempatan, menjadikan struktur nanowire di luar zon resonan tidak rosak sepenuhnya.
Berdasarkan prinsip ini, penyelidik berjaya mencapai kimpalan dawai nano semikonduktor homogen ZnO{0}}ZnO. Di bawah 35 fs lebar nadi dan ketumpatan tenaga 77.6 mJ/cm², selepas 30 saat penyinaran, wayar nano disambungkan dengan kukuh dan tidak boleh musnah. Kejayaan ini menyediakan kaedah pemprosesan bukan{6}}yang cekap dan tepat untuk pemasangan semua-pengesan foto dan penderia oksida.
Teknologi kimpalan nano mikro-ultrapantas laser, dengan lebar nadi yang sangat pendek dan kuasa puncak yang sangat tinggi, telah mengatasi batasan kaedah kimpalan tradisional dalam mengawal kesan terma, menjadi alat yang amat diperlukan dalam bidang pembuatan nano-mikro. Melalui resonans plasma setempat dan mekanisme penyerapan tak linear, teknologi ini boleh mencapai pencairan dan ikatan bahan yang tepat pada skala ruang dan temporal yang sangat kecil, dengan berkesan mengelakkan kerosakan terma pada struktur mikro-nano sekeliling. Daripada wayar mikro logam kepada wayar nano semikonduktor, dan juga persimpangan bahan heterogen yang kompleks, kimpalan laser ultrafast telah menunjukkan kebolehsuaian bahan yang luas dan kualiti pemprosesan yang sangat baik. Pada masa hadapan, dengan penyelidikan yang lebih mendalam tentang mekanisme interaksi jirim-laser dan penambahbaikan selanjutnya dalam prestasi laser, kimpalan nano mikro-ultrapantas laser dijangka memainkan peranan yang lebih kritikal dalam pembuatan elektronik fleksibel, peranti optoelektronik nano-nano dan penderia yang sangat bersepadu, memacu teknologi-nano mikro dan kecekapan yang lebih tinggi.
