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納米焊接技術未來制造的福音

2018-06-19

碳納米管又名巴基管,是由碳原子構成的只有一個原子厚的中空管。因為具有獨特的物理和電氣性能,研究人員一直在探索用其取代傳統電路中的硅。借助碳納米管技術可生產出低成本的柔性電路板、顯示器和電池,讓可真正實用的穿戴設備成為現實。
領導此項研究的伊利諾伊大學電氣和計算機工程學教授約瑟夫。萊丁說,碳納米管本身就是高品質的優良導體,但目前用單個碳納米管制造晶體管還非常困難?,F實中一般采用碳納米管陣列的方式來解決這個問題。缺憾是,電流在通過碳納米管陣列時不得不跳過那些不同的納米管之間的間隙,這大幅降低了其導電速度。
在普通電路中,這樣的接口會被焊接住,以保證其穩固程度和導電性能。但在納米尺度上怎么來焊接這些比頭發還要細十萬分之一的碳納米管呢?
萊丁的研究小組發現,當電流經過碳納米管之間的空隙時,接頭處就會變熱,這有點像普通家庭電路中電路故障所產生的發熱現象。我們正是利用這種發熱現象,利用這些熱量引發局部化學反應,將金屬沉積在空隙處,來實現對碳納米管的焊接的。萊丁說。
為此,他們與同校的研究人員進行了合作。其中有電氣和計算機工程學副教授埃里克。鮑勃、材料與工程學教授約翰。羅杰斯以及化學教授格雷格。吉羅拉米。吉羅拉米是使用氣體讓金屬在物體表面進行沉積的專家,這個過程也被稱為化學氣相沉積(CVD)反應。
這種納米焊接技術簡單且具有自我調節功能。首先將需要焊接的碳納米管陣列放置在事先充滿含有金屬分子氣體的腔體中。而后接通電源,讓電流從碳納米管陣列上通過,這時在電阻的作用下,連接處會出現發熱現象。熱量使腔體中的金屬分子發生化學反應,將連接點精確地焊接起來。當焊接成功,空隙消失后,該處的電阻會顯著下降,發熱反應隨即停止,焊接程序宣告完成。
萊丁稱,這種納米焊接僅僅需要幾秒鐘的時間,它不但大幅提高了碳納米管單管的制造水平,也為其大規模生產提供了新的可能?;瘜W氣相沉積技術本身是一種在商業上獲得大規模應用的成熟技術,與現有碳納米管的生產過程能夠很好地兼容,可以很方便地加入到其生產工藝當中。目前,研究小組正在對該技術進行優化,以進一步降低其操作難度和使用成本。

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