基于原子力显微镜的碳纳米管焊接

　　碳纳米管( carbon nanotubes，CNTs) 被发现以来，由于其独特的一维纳米结构、超高的机械强度和良好的热稳定性等显著的物理化学特性，表现出了巨大的应用潜力[1-2]. 研究者利用碳纳米管电学特性会随温度、光照等环境因素变化的性质，制造出了温度、气体等多种纳米传感器[3-6]. 这些传感器具有体积小、灵敏度高等特点[7-8]. 利用碳纳米管的半导体特性，制造出了场效应晶体管[9]. 上述纳米器件的一个共同特征是: 碳纳米管被排列在微电极之间，形成功能化的纳米结构. 目前，介电泳方法已经成为一种有效的实现碳纳米管装配的手段[10]. 然而如何实现碳纳米管在微电极上的良好固定并形成可靠电连接，仍然没有得到很好的解决[11].

　　采用 PMMA/PDMS 等材料进行碳纳米管器件的“封装”，虽然可以固定碳纳米管并在一定程度上改善与金属电极的接触特性[12]，但是这种方法很难应用于气体传感器等需要碳纳米管裸露于外界环境的器件利用超声压焊的方法，由于超声探头与样品表面接触有可能破坏排列在电极之间的碳纳米管，其应用也受到了一定的限制[13]. 为此，一些研究者期望利用原子力显微镜电场模式下的操作，通过氧化、焊接来解决碳纳米管的固定和可靠电连接问题[14-15]. 然而电场氧化操作一般需要硅作为基底才能实现，并且氧化物高度通常仅为几纳米. 利用导电探针上金属原子蒸发的方式进行纳米焊接，其焊接过程中电场的作用机理、影响因素以及对碳纳米管纳米器件电学特性的影响还需要进一步研究.

　　针对上述问题，本文首先建立了基于原子力显微镜的纳米焊接系统，仿真研究了探针电场的强度与分布. 然后，通过实验研究了探针-样品距离、偏压与探针悬臂梁 Z 向偏移量之间的关系，验证了仿真分析的正确性. 碳纳米管的焊接实验表明，这种方法可以有效地改善碳纳米管与电极的接触特性，实现可靠的电连接.

　　1 纳米焊接系统

　　1. 1 系统组成

　　本文中构建的纳米焊接系统，是基于美国维易科公司型号为 Dimension3100( NanoManⅡ) 的原子力显微镜. 利用 NanoMan 模块可以规划探针的运动并实现一些基本的操作. 如图 1 所示，电场模式下操作样品也要求具有一定的导电性，通过导电胶固定在样品台上.导电探针表面镀有 20 ～ 40 nm 厚的金属层( 如金、铂等) ，因而具有良好的导电能力，并且表面金属镀层能够充当焊接所需的金属原子蒸发源. 如果在探针与样品台之间施加一定的偏压，它们之间就会产生电场. 脉冲电压可以利用系统自身的电压模块产生，也可以通过信号获取模块( signal access module，SAM) 由外部信号源施加.