碳納米管-金屬界面鍵合機(jī)制及其相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、碳納米管作為納米結(jié)構(gòu)材料的典型代表,以其奇特的納米尺度一維結(jié)構(gòu)特性和顯著的機(jī)械、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、生物等性能而成為新一代納電子器件制造的關(guān)鍵材料。盡管在實(shí)際應(yīng)用中碳納米管的裝配方法及所實(shí)現(xiàn)的功能各異,但其基本結(jié)構(gòu)形式主要是碳納米管與金屬之間的互連。在這個(gè)過程中,所面臨的關(guān)鍵和共性問題是如何形成碳納米管與金屬間的有效接觸,以保證界面具有可靠的機(jī)械連接和高效的能量傳遞機(jī)制。然而,目前的研究主要集中在理想接觸界面的能量傳遞規(guī)律,缺乏對鍵合過程

2、中界面微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的研究,同時(shí)在工藝上如何實(shí)現(xiàn)碳納米管與金屬表面的鍵合也值得進(jìn)一步研究。
　　 本文基于分子動(dòng)力學(xué)方法研究了碳納米管與金屬間界面鍵合的物理機(jī)制,分析影響界面鍵合的因素,并針對性地提出適合碳納米管與金屬鍵合的有效方法；最后,結(jié)合碳納米管在電子封裝中的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)垂直定向碳納米管陣列與金屬襯底的鍵合及轉(zhuǎn)移。主要研究內(nèi)容包括:
　　 1)建立碳納米管/金屬鍵合過程的原子模型,分子動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明:碳納米管與

3、金屬表面鍵合的主要物理機(jī)制包括金屬的表面熔化和金屬原子對碳納米管表面的浸潤,鍵合界面的主要結(jié)構(gòu)形式為金屬浸入大直徑的碳納米管內(nèi)形成納米線,同時(shí)金屬原子遷移至碳納米管外表面,對碳納米管形成包覆。一方面,金屬的表面熔化行為使碳納米管與金屬間的鍵合可以在低于金屬熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行；另一方面,金屬原子對碳納米管表面的浸潤與否取決于碳納米管對該金屬原子的吸附力與金屬原子間聚合力之比；此外,界面電荷也可以促進(jìn)碳納米管與金屬表面的鍵合,使浸潤性差的金屬

4、也能與碳納米管間實(shí)現(xiàn)良好鍵合。
　　 2)根據(jù)模擬結(jié)果,提出利用高頻感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)水平定向碳納米管與金屬電極間的界面鍵合。高頻感應(yīng)加熱過程中金屬表面的高電荷密度有助于碳納米管與浸潤性差的金屬鍵合,從而增加了碳納米管器件制造中金屬材料的選擇范圍。同時(shí),感應(yīng)加熱的非接觸方式可以實(shí)現(xiàn)對襯底上多個(gè)互連結(jié)構(gòu)的界面鍵合。鍵合后碳納米管/金屬電極間的接觸電阻降低了96％以上。
　　 3)提出利用納米界面熱壓鍵合的方法實(shí)現(xiàn)了垂直定向碳納米

5、管陣列與金屬襯底的鍵合。納米接觸界面可以有效促進(jìn)界面原子間的相互擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)中通過金屬沉積,在碳納米管端部形成納米金屬團(tuán)簇,然后在一定的溫度和壓力下實(shí)現(xiàn)了碳納米管同金屬襯底的有效鍵合。對鍵合界面的剝離實(shí)驗(yàn)表明,垂直定向碳納米管與金屬襯底間的鍵合強(qiáng)度高,以至于剝離后部分碳納米管發(fā)生斷裂；電學(xué)性能測試表明,鍵合后碳納米管與金屬襯底形成良好的歐姆接觸,電阻率約為9 x10-7Ωm。
　　 本文研究結(jié)果揭示了碳納米管與金屬鍵合過程的物理機(jī)