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纳米焊接在SERS中“热点”的稳定性及其乙醇电催化的应用

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纳米焊接在SERS中“热点”的稳定性及其乙醇电催化的应用

作者：朱媚湖南大学

学位级别：硕士

纳米材料的纳米焊接在透明电极,纳米级图案化,纳米催化,癌症治疗和薄膜太阳能电池方面开辟了新兴的应用领域。到目前为止,已经采用了不同的方法来焊接,例如光诱导、热诱导、毛细管力和化学焊接。这些方法主要用于大规模纳米网络。针对... 详细信息

纳米材料的纳米焊接在透明电极,纳米级图案化,纳米催化,癌症治疗和薄膜太阳能电池方面开辟了新兴的应用领域。到目前为止,已经采用了不同的方法来焊接,例如光诱导、热诱导、毛细管力和化学焊接。这些方法主要用于大规模纳米网络。针对纳米焊接的广泛应用,主要进行了以下两个方面的研究:(1)等离子体焊接在“热点”稳定性方面的研究。“热点”在SERS中起着关键的作用,人们为了构建具有各种精细物理结构的热点做出了巨大的努力。但是,制备均匀分布的热点,以实现每个“热点”光谱的同等增强,仍然是一个巨大的挑战;尤其是在定量检测中,光谱重现性差极大的限制了SERS的广泛应用。因此,本文系统地研究了热点稳定性对SERS行为的影响,据我们所知,在先前的研究中,热点并没有受到广泛关注。我们系统地研究了热点对激发功率,持续时间和波长的稳定性阈值。(2)焦耳热焊接的Au@Pd NPW在乙醇电催化氧化中的应用。碱性介质中的直接乙醇燃料电池具有高能量密度、合理的功率密度以及环保特性,因此具有广阔的应用前景。研究表明通过设计和制备具有大面积网络结构的高导电性且具有丰富的高活性位点的电催化剂作为有效的电子转移途径,可以进一步提高乙醇氧化反应活性。主要研究成果如下:(1)由“热点”的随机分布和不均匀增强引起的光谱重现性差,极大地限制了表面增强拉曼散射(SERS)的实际应用。在这里,我们报告了“热点”显示出对激发功率,持续时间和波长的稳定性阈值。在阈值范围内或除去不稳定的“热点”后,SERS底物显示稳定,可重现的SERS信号。这些发现为SERS的光谱再现性提供了新的认识,极大地促进了可靠的SERS检测和稳定热点的设计。(2)钯包金(Au@Pd)双金属纳米颗粒对乙醇的电催化氧化显示出很高的催化活性。通过焦耳热焊接策略,以调节Au@Pd NPW的电催化活性,以有效地进行乙醇氧化。我们发现,通过界面自组装的Au@Pd NP膜通过交流电可以很好地焊接Au@Pd NP膜,形成导电性得到改善的大面积网络纳米膜,并暴露出高晶面,从而具有较好的催化活性。在用于显示焊接对电催化活性的影响的两种类型的Au@Pd NP中,16+4.5 nm Au@Pd NPW显示出更高的电催化活性,对于1M KOH+1M CHOH溶液在-0.8-0.4 V时,相对于SCE可达到10.89 m A cm,这是在16+4.5 nm Au@Pd NPs催化剂上获得的2.76倍。这些结果表明,简单的焊接策略有助于设计和制备更有效,更稳定的Pd基电催化剂和其他金属微粒催化剂,这些催化剂分别来自单独的对应物。

关键词：纳米焊接 “热点”稳定性 Au@Pd 乙醇电催化

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电子束纳米焊接与纳米切割

电子显微学报 2007年第6期26卷 563-569页

作者：许胜勇北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室北京大学电子学系北京100871

对小到1nm大到100nm的"纳米尺度",目前并没有成熟的原位物理加工技术。我们演示高强度电子束技术在纳米尺度上应用于原位物理加工的潜力,将高亮度场发射透射电子显微镜的电子束汇聚到直径1nm左右,可得到强度为106A/cm2量级的电子束。这... 详细信息

对小到1nm大到100nm的"纳米尺度",目前并没有成熟的原位物理加工技术。我们演示高强度电子束技术在纳米尺度上应用于原位物理加工的潜力,将高亮度场发射透射电子显微镜的电子束汇聚到直径1nm左右,可得到强度为106A/cm2量级的电子束。这样的电子束可被用来在直径几十纳米的单根金属或硅纳米线上实现结构修饰,切割出小孔、窄桥及缝隙等各类纳米尺度的图案结构。强度稍弱的电子束则可被用来实现在金属纳米线之间,或者金属纳米线与硅纳米线之间的焊接,也可被用于去除纳米线表面的氧化层。这些物理加工机制涉及高能电子穿越固体时各类非弹性散射造成的加热、非晶化、溅射、等离子气化等非线性效应。作为一项无污染且作用范围非常局域化的原位技术,它可直接应用于纳米结和纳米器件的修饰与制备。

关键词：纳米焊接纳米切割高强度电子束

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基于光热效应的表面等离激元纳米焊接研究

基于光热效应的表面等离激元纳米焊接研究

作者：戴硕蔚浙江大学

学位级别：硕士

关于金属纳米线的纳米焊接技术的发展产生了一系列的新兴应用,包括透明导体电极,薄膜太阳能电池,纳米催化剂,癌症治疗,纳米图形化技术等。特别的,纳米焊接可能可以极大地提升基于纳米线的光子和电子器件性能。然而,先前的焊接工作大部... 详细信息

关于金属纳米线的纳米焊接技术的发展产生了一系列的新兴应用,包括透明导体电极,薄膜太阳能电池,纳米催化剂,癌症治疗,纳米图形化技术等。特别的,纳米焊接可能可以极大地提升基于纳米线的光子和电子器件性能。然而,先前的焊接工作大部分聚焦于大规模和大面积的纳米线网络,对于功能性光子和电子器件的焊接研究较少。本文首先介绍了金属纳米线的制备过程,操控方法和激发表面等离激元的手段。第二章回顾了目前主要的基于金属纳米线的功能性器件,包括纳米线波导,有源和无源纳米光子器件等。第三章重点介绍近几年研究人员提出的纳米线连接方法,主要有两个方面：一是纳米线与纳米线的连接;二是纳米线网络的连接。第四章,我们提出了一种基于光热效应的表面等离激元纳米焊接方法。我们通过连续激光束聚焦纳米线结构的方式在纳米线表面产生等离激元共振,进而把光能转化为热能,通过纳米线的表面熔化现象成功地将纳米线焊接在了一起。我们发现光照位置是成功实现焊接过程的一个很关键的因素,并且我们的热动力学仿真结果证实了这个发现。我们所提出的这个方法对于制备高性能的纳米电路和等离激元纳米器件有着很大的潜力。

关键词：纳米光子学金属钠米线局域表面等离激元光热效应纳米焊接

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基于分子动力学的纳米焊接技术的模拟研究

基于分子动力学的纳米焊接技术的模拟研究

作者：孙璞上海海洋大学

学位级别：硕士

碳纳米管（CNT）自从1991年由饭岛澄男博士发现后，由于其独特的一维纳米结构和优良的电学、热学、力学等特性立刻引起了广大科研人员的关注。利用碳纳米管制造的纳米电子器件具有尺寸小、速度高、功耗少和造价低等优势，它将成为后摩... 详细信息

碳纳米管（CNT）自从1991年由饭岛澄男博士发现后，由于其独特的一维纳米结构和优良的电学、热学、力学等特性立刻引起了广大科研人员的关注。利用碳纳米管制造的纳米电子器件具有尺寸小、速度高、功耗少和造价低等优势，它将成为后摩尔时代取代硅材料的重要电子材料。然而，利用碳纳米管制造纳米电子器件面临着许多技术难题，碳纳米管与金属电极之间的连接就是制造碳纳米管电子器件难以克服的众多技术难题之一。纳米焊接技术能够有效地解决这一难题，但是碳纳米管尺寸小属于介观尺度研究范围，对其进行实验操作非常困难，模拟研究可以在此发挥巨大的作用。模拟研究可以高度预测焊接结构的物理和化学性能，形象地解释结构与性质的关系，并且可以展现出实验中一些无法观察到的现象，对减少实验工作量、指导实验、提高研究准确性都是大有帮助的。本文建立了碳纳米管与金属电极垂直互连的分子动力学模型，研究了在高温条件作用下影响焊接界面结构的主要因素，并针对性地提出适合碳纳米管与金属互连的有效方法。主要研究内容包括：（1）首先建立锯齿型碳纳米管与镍（Ni）电极的纳米焊接分子动力学模型，仿真结果表明：高温作用下碳纳米管与Ni电极纳米焊接的主要物理机制包括金属电极表层原子熔化和金属原子受到碳纳米管吸引附着其外壁表面。焊接界面结构主要包括两种形式：一种是金属原子填充大直径碳纳米管内部形成连续的金属纳米线;一种是金属原子包裹在碳纳米管外壁。温度有助于焊接界面的形成，温度越高焊接界面接触长度越长，并且由于金属电极表层原子的熔化，使得纳米焊接过程可以在低于金属熔点的温度下进行。相同温度条件下，与金属原子包裹碳纳米管外壁相比，金属原子在大直径碳纳米管内部形成连续金属纳米线所需的时间较短;当加热时间达到一定值后，焊接界面接触长度逐渐趋于稳定。碳纳米管直径是影响焊接界面结构的主要因素，大直径的碳纳米管更容易在低温条件下实现与金属电极的互连，如果碳纳米管直径过小，金属原子无法进入其内部形成金属纳米线。（2）为了探究碳纳米管类型对焊接界面的影响，分别考虑了手性型碳纳米管和扶手椅型碳纳米管与镍电极的纳米焊接过程。结果表明碳纳米管类型不是影响焊接界面结构的主要因素。冷却对CNT-Ni焊接界面结构影响较小，冷却速度越快焊接界面接触长度变化越小。(3)通过模拟研究碳纳米管与铂（Pt）电极的高温焊接过程，结果表明金属电极本身属性是影响焊接界面结构的重要因素。碳纳米管与Pt电极纳米焊接的主要物理机制是Pt电极表层金属熔化，金属电极与碳纳米管焊接界面结构取决于碳纳米管对该金属原子的吸附力与金属原子间聚合力之比。本文研究结果揭示了碳纳米管与金属电极纳米焊接的微观过程，分析了影响焊接界面结构的主要因素，为碳纳米管电子器件的制备打下了基础。

关键词：碳纳米管纳米焊接分子动力学模拟

基于光热效应的纳米焊接及其在三维纳米器件中的应用

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基于光热效应的纳米焊接及其在三维纳米器件中的应用

作者：赵文婷浙江大学

学位级别：硕士

纳米焊接技术是构建和组装功能性纳米器件的一项关键技术。其中,低成本、高精准度和无接触污染等优势使基于光热效应的激光纳米焊接技术受到广泛关注。本文提出对半导体纳米线进行熔断和连接、对半导体纳米线和衬底进行连接的临界功率... 详细信息

纳米焊接技术是构建和组装功能性纳米器件的一项关键技术。其中,低成本、高精准度和无接触污染等优势使基于光热效应的激光纳米焊接技术受到广泛关注。本文提出对半导体纳米线进行熔断和连接、对半导体纳米线和衬底进行连接的临界功率式激光纳米焊接技术,在激光器的最大功率300mW内实现了对单根纳米线从几纳米到几百纳米、尺寸和形态各异的熔断间隙,完成了两根纳米线形成的V形、T形、1形纳米线结构的焊接,并利用仿真计算更深入地揭示了实验机理。探究了激光纳米焊接技术连接不同材料衬底和半导体纳米线的可行性,实现了半导体纳米线和金电极之间的电学连接并进行了测试,得到碳化硅纳米线的电阻约为181.8 Ω。利用纳米线和衬底的焊接制造纳米悬臂,验证了其优秀的机械稳定性。借助SEM观测纳米激光焊接在衬底上造成的半球状突起和凹陷结构,发现120mW激光功率下该结构的直径约为435-574nm,激光功率为107mW下该结构的直径约为149-184nm。进一步地,基于该激光纳米焊接技术将三维螺旋金纳米结构和别的材料加工成三维功能纳米器件并表征其性能,实现了最大弹性拉伸为原长43%的纳米弹簧、纳米桥、可承受超过105轮振动测试的超弹性纳米悬臂、纳米线圈和在弹性形变长度为原长的0%-34%下对应电阻为19.23-22.73Ω的纳米压阻传感器等。最后进行归纳总结,并对该纳米焊接技术未来的应用做了展望。

关键词：纳米焊接光热效应半导体纳米线螺旋状纳米结构三维纳米器件

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磁感应涡流纳米焊接及其在纳米加工上的应用

磁感应涡流纳米焊接及其在纳米加工上的应用

作者：徐姚梦丽湖南大学

学位级别：硕士

纳米材料具有独特的光学、电学和热学等性能,广泛地应用于从传感器到光电器件的各个领域。纳米焊接可以在单个纳米组件之间或纳米组件和外界之间建立固态连接。这不但可以增强连接的机械强度,而且可以强化纳米组件固有的特殊性能、并有... 详细信息

纳米材料具有独特的光学、电学和热学等性能,广泛地应用于从传感器到光电器件的各个领域。纳米焊接可以在单个纳米组件之间或纳米组件和外界之间建立固态连接。这不但可以增强连接的机械强度,而且可以强化纳米组件固有的特殊性能、并有可能创造出新的特性。因此,纳米焊接已经发展成为一种自下向上的纳米制造技术,可以用于各种纳米结构的制备、纳米器件的加工以及纳米电路的构筑或修复。目前,人们已经发展出了多种纳米焊接方法,主要可分为低温热辅助焊接、机械辅助焊接以及无需外界能量的冷焊接。在此基础上,本论文提出了一种新型的磁感应涡流纳米焊接,即通过交变磁场在金属纳米结构感应出涡流,利用涡流进行无接触的纳米焊接。论文主要研究成果如下:(1)磁感应涡流纳米焊接。以自组装的单层金纳米粒子薄膜作为焊接对象,论文研究了感应线圈电流强度和处理时间对焊接的影响。结果显示,常用的电感耦合加热器可以在自组装的单层金纳米薄膜中感应出涡流,导致其焊接形成高度互联的网状结构;而且线圈电流强度越大和处理时间越长,焊接效果越明显。为揭示该焊接的普适性,论文还以自组装的Ag、Au@Pd纳米粒子(NP)薄膜和旋涂的Ag纳米线网格为研究对象,揭示磁感应涡流纳米焊接也可以用来焊接不同材质和形状的纳米粒子薄膜。最后,为展示该焊接策略的应用,论文以其来移除自组装Au NP薄膜中的纳米间隔(即高活性表面增强拉曼散射(SERS)热点),成功地制备出了具有高的光谱稳定性和重现性的网络状SERS基底,可以用来检测食品中的农药残留污染物。所发展磁感应涡流纳米焊接本质上是由局域电子(由于其静电斥力)强化的表面原子扩散过程而导致,不涉及高能耗的相变过程,导致焊接过程中温度变化不大。因此,磁感应涡流纳米焊接可以用来低温焊接柔性聚合物基底上的各种金属纳米薄膜,而且焊接时间短、成本低。(2)磁感应涡流纳米焊接加工柔性Ag网格透明电极及其器件化应用研究。Ag网格透明电极具有高导电性、良好的透光率以及优异的机械柔韧度,可以替代常规的ITO透明电极应用于柔性电子器件和光电子器件等领域。对此,本论文结合光刻、纳米粒子界面自组装和磁感应涡流纳米焊接,直接从Ag NP液相加工出了Ag网格透明电极,无需复杂的设备和工艺。所加工的Ag网格透明电极具有优异的光电性能(透光率85.52%、方阻1.10Ω/sq)和柔韧性。为揭示其应用潜力,论文基于这种Ag网格透明电极制备了一种低电压驱动的透明加热器。该透明加热器表面加热均匀,且稳定性良好,在汽车窗户除冰、除雾等方面具有很大的应用潜力。此外,论文还制备基于Ag网格透明电极的电致变色薄膜。该薄膜显示了良好的光调制幅度(68.84%)、较短的着色/褪色响应时间(t=1.7s,t=2.5 s)和较好的循环稳定性,未来在智能窗户等应用上具有很大潜力。

关键词：纳米焊接 SERS Ag网格透明电极透明加热器电致变色

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基于原子力显微镜的碳纳米管焊接

纳米技术与精密工程 2010年第3期8卷 226-230页

作者：于海波董再励李文荣中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中科院研究生院北京100049 香港中文大学微纳米系统中心

在利用碳纳米管(CNT)制作纳米电子器件时,碳纳米管与金属电极的接触特性将决定器件性能.为此本文提出了一种利用原子力显微镜(AFM)进行碳纳米管焊接的新方法.仿真研究了探针电场的强度与分布,解释了焊接中电场产生的机理,进一步分析了... 详细信息

在利用碳纳米管(CNT)制作纳米电子器件时,碳纳米管与金属电极的接触特性将决定器件性能.为此本文提出了一种利用原子力显微镜(AFM)进行碳纳米管焊接的新方法.仿真研究了探针电场的强度与分布,解释了焊接中电场产生的机理,进一步分析了偏压、探针-样品距离与探针悬臂梁偏转位移之间的关系;并通过这些优选的相关实验参数进行了焊接实验验证.实验结果表明,碳纳米管与电极间的接触电阻由2.86×106Ω减小至7.14×105Ω,并可实现碳纳米管在电极上的良好固定.

关键词：原子力显微镜碳纳米管纳米器件纳米焊接

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基于光热效应的金属纳米线焊接与熔断

基于光热效应的金属纳米线焊接与熔断

作者：周莉娜浙江大学

学位级别：硕士

随着科技的日益发展,集成器件逐渐趋于微纳尺度上的集成。在以纳米线为基础元件的集成器件中,纳米线的焊接和熔断起着举足轻重的作用。本文基于光热效应提出新型的单点纳米焊接和单点纳米熔断技术,利用激光产生的光热效应实现金属表面... 详细信息

随着科技的日益发展,集成器件逐渐趋于微纳尺度上的集成。在以纳米线为基础元件的集成器件中,纳米线的焊接和熔断起着举足轻重的作用。本文基于光热效应提出新型的单点纳米焊接和单点纳米熔断技术,利用激光产生的光热效应实现金属表面熔化实现金属纳米线的焊接和熔断。针对纳米焊接技术,本文利用牺牲式焊接法和拉锥光纤直接焊接法;针对纳米熔断技术,本文利用激光直接熔断法。本文首先回顾纳米线的制备方法、控制方法及金属纳米线的应用。第二章,针对焊接技术,从大规模焊接和点焊接两方面回顾已有的纳米线焊接方法;针对熔断技术,从电熔断、机械熔断、离子束及电子束熔断、热板熔断四方面回顾已有的纳米线熔断方法。第三章,首先研究单根金纳米线的熔断特性,基于此提出利用火柴头结构实现不同结构的焊接。并对光路进行稍加修改并测量其焊接前后的电学特性。第四章,首先研究熔断时表面形态的变化,从仿真和实验上证明垂直偏振激光照射下所需的临界功率比平行偏振并激光照射下所需的临界功率要低,最后通过控制偏振和照射功率实现可控式的熔断。第五章,总结整篇文章,并展望该焊接和熔断技术在未来科学发展中的应用。

关键词：光热效应金属纳米线纳米焊接纳米熔断

银纳米线等离子体焊接成形性及在金属锂负极中的应用

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银纳米线等离子体焊接成形性及在金属锂负极中的应用

作者：王喆哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

纳米焊接技术为“自下而上”构筑纳米结构与器件提供了前所未有的丰富性。在过去的二十年中,伴随着纳米科技的飞速发展,纳米焊接的方法、理论与应用已成为当今焊接科学与技术的研究热点之一。纳米焊接不仅是传统焊接技术的扩展和延伸,... 详细信息

纳米焊接技术为“自下而上”构筑纳米结构与器件提供了前所未有的丰富性。在过去的二十年中,伴随着纳米科技的飞速发展,纳米焊接的方法、理论与应用已成为当今焊接科学与技术的研究热点之一。纳米焊接不仅是传统焊接技术的扩展和延伸,对纳米焊接方法、理论与应用的探索,也将推动焊接的科学性与技术性的统一。本文基于等离子体焊接方法,针对一维银纳米线焊接的成形性,以及银纳米线焊接结构在金属锂负极中的功能性展开了研究。本文首先采用时域有限差分方法研究了单根银纳米线和交叉纳米线结的表面等离子体共振,以及纳米焊点表面电场随焊点形态的变化。采用多元醇法合成银纳米线,并采用等离子体焊接方法制备纳米焊点,观察发现两根银纳米线在交叉部位发生局部连接,而远离焊点的区域并未产生明显的形态变化。随后对纳米焊点结构进行了精细的表征,并发现银纳米线焊点结构的最终形态是接触表面原子通过局部表面扩散从内部迁移至过渡区,并以交叉纳米线结中的一根银纳米线表面为衬底外延生长而形成的。分析表明,表面扩散的局域性和自限制性均是银纳米线自身曲率变化和局部应变共同作用的结果,而纳米焊点的成形将由银纳米线的尺寸、应变和温度等因素共同决定。此外还通过理论计算提出了利用等离子体共振的偏振依赖性分别调控交叉纳米线结中两根银纳米线内部温度的策略。该方法使纳米焊接成形的可控化成为可能,这对于纳米焊接方法的实际应用与推广具有重要意义。最后利用太阳光诱导等离子体焊接制备了高导电性、高机械稳定性的无支撑银纳米线网络,并将其作为金属锂负极的三维集流体。通过研究金属锂在银纳米线网络上的沉积行为,证明了银的亲锂性是导致金属锂在银纳米线表面上均匀沉积的原因,且银锂表面合金层的形成将对后续的锂沉积起到缓冲的作用。纳米焊接工艺的引入有效地提高了银纳米线网络集流体的机械稳定性,使金属锂负极能够在1m A cm-2的电流密度下保持93.2%的平均库伦效率循环150周以上。

关键词：纳米焊接银纳米线等离子体焊接三维集流体金属锂负极