01 Introducere
Odată cu progresul continuu al științei și tehnologiei și aplicarea pe scară largă a noilor materiale, producția modernă se dezvoltă rapid către direcții ușoare, miniaturizate și de înaltă{0}}precizie. În domenii precum microelectronica, optoelectronica și sistemele micro-electromecanice (MEMS), conexiunea și integrarea micro-nanostructurilor sunt deosebit de importante. Metodele tradiționale de procesare, cum ar fi prelucrarea cu laser cu impulsuri lungi sau prelucrarea cu descărcări electrice, vin adesea cu zone afectate de căldură-importante (HAZ), care pot duce cu ușurință la deformarea materialului, microfisuri sau straturi reformate, ceea ce face dificilă îndeplinirea cerințelor de interconectare de-înaltă precizie la scară micro{8} și nano. Laserele ultrarapide, care se referă de obicei la lasere cu lățimi ale impulsurilor în intervalul femtosecundă (fs) sau picosecundă (ps), oferă o nouă soluție pentru producția de precizie datorită densității de putere de vârf extrem de ridicate și a timpului de interacțiune ultra-scurt. În special, sudarea micro-nano ultrarapidă cu laser (Nano Welding) poate depăși limitările de difuzie termică ale sudării tradiționale și poate realiza conexiuni precise la scară micro-nano. Această tehnologie utilizează efectele neliniare ale interacțiunii laser ultrarapide cu materialele pentru a obține topirea și lipirea în zone extrem de mici, evitând în același timp deteriorarea structurilor înconjurătoare. Pe baza celor mai recente progrese în procesarea microstructurii laser ultrarapide, această lucrare se concentrează pe explicarea principiilor de bază ale micro-nano sudării cu laser ultrarapid, a parametrilor cheie ai procesului și a aplicațiilor sale tipice în diferite sisteme de materiale.
02 Principiul de sudare cu laser ultra-rapidă
Mecanismul de bază al micro-nano suduri ultrarapide cu laser constă în procesul termodinamic și efectul de îmbunătățire locală a câmpului. Principiul de bază este că prin interacțiunea dintre laserul ultrarapid și material, interfața de contact a microstructurilor care urmează să fie sudate suferă topirea locală, eliminând astfel golurile și formând o conexiune stabilă. În procesul de sudare pentru structuri cu lungime de undă subundă, cum ar fi nanofirele, iradierea laser cu femtosecunde poate induce rezonanță localizată a plasmei, care generează câmpuri de temperatură înaltă-localizate în punctele de intersecție sau zonele de contact ale nanofirelor, permițând conectarea, tăierea sau remodelarea nanofirelor. Un avantaj semnificativ al acestei tehnologii este localizarea sa termică extrem de ridicată. Datorită lățimii ultrascurte a impulsului laserului ultrarapid (de obicei pe scara femtosecunde), difuzia căldurii este suprimată semnificativ, permițând temperaturii generale să atingă echilibrul în 10⁻¹² secunde. Acest mecanism ultrarapid de relaxare termică asigură că temperaturile ridicate sunt limitate doar la regiunile locale în care are loc rezonanța plasmei, în timp ce zonele structurii nanofire din afara zonei de rezonanță nu sunt deteriorate de temperatura ridicată, menținând astfel integritatea structurală generală a dispozitivului. În plus, alegerea parametrilor procesului de sudare are un impact decisiv asupra calității sudurii. Studiile au arătat că utilizarea unei rate ridicate de repetare a pulsului combinată cu energie scăzută a impulsului poate reduce eficient formarea de compuși intermetalici fragili, poate reduce apariția defectelor de sudură și poate preveni ablația excesivă a materialului metalic.
Figura 1. Diagrama schematică a ionizării neliniare, a evoluției plasmei și a mecanismelor termodinamice ale interacțiunii laser ultrarapide cu siliciul.
Figura 2. Comparație între mecanismele de depunere a energiei și procesele de transformare de fază ale metalelor și materialelor ne-metalice în micro-nano sudarea cu laser ultrarapid.
03 Aplicații ultrarapide de sudare cu laser
În prezent, tehnologia de sudare micro-nano ultrarapidă cu laser a fost aplicată pe scară largă la conectarea diferitelor micro-nano structuri conductoare. În funcție de caracteristicile materialului, acesta poate fi clasificat în principal în sudare cu micro-nanostructură metalică, sudare cu nanomateriale semiconductoare și sudare cu heterojoncție a materialelor diferite. În aceste trei scenarii de aplicare, laserele ultrarapide au demonstrat avantaje semnificative față de procesele tradiționale.
În ceea ce privește interconectarea precisă a micro-nanostructurilor metalice, tehnologiile tradiționale de micro-sudare se confruntă adesea cu efecte de depășire termică severe atunci când manipulează fire metalice la scară micro{- sau nanometrică-, din cauza dificultății de a controla cu precizie aportul de căldură. Această sarcină termică excesivă nu numai că topește cu ușurință firele metalice fine, dar tinde și să formeze compuși intermetalici fragili la joncțiunile metalelor diferite, rezultând o rezistență mecanică scăzută și defecte frecvente de sudare. În schimb, sudarea cu laser ultrarapidă, prin utilizarea unei strategii unice de proces care combină rate mari de repetare a impulsurilor cu energie scăzută a impulsului, depășește în mod eficient aceste provocări. Această sinergie de frecvență mare de repetiție și energie scăzută asigură o acumulare suficientă de energie pentru sudare, reducând în același timp în mod semnificativ ablația excesivă a materialului metalic, suprimând astfel eficient formarea de compuși intermetalici fragili și minimizând defectele de sudură.
În aplicații specifice, cercetătorii au fost primii care au folosit această tehnologie pentru a realiza sudarea micro-firelor Ag pe substraturi de Cu, demonstrându-și potențialul în interconexiunile microelectronice. În plus, pentru nanofirele metalice omogene Ag-Ag, cercetătorii au sudat cu succes nanofirele folosind impulsuri ultrascurte de 35 fs la o densitate de energie de aproximativ 90 mJ/cm². Îmbinările rezultate nu numai că au fost intacte din punct de vedere structural, ci și-au menținut o conductivitate electrică și rezistență mecanică excelente.
În conexiunea nedistructivă a nanomaterialelor semiconductoare, procesele convenționale de încălzire globală sau de sudare prin contact pot deteriora cu ușurință structura cristalină a nanofirelor sau pot provoca daune termice în zonele ne-sudate din cauza fragilității ridicate și a sensibilității termice a materialelor semiconductoare. Sudarea cu laser ultrarapidă abordează această problemă prin mecanismul său unic de rezonanță cu plasmă localizată. Când iradierea laser cu femtosecunde este aplicată nanofirelor, rezonanța plasmă localizată este indusă la intersecții sau joncțiuni, generând temperaturi ridicate localizate pentru a realiza sudarea, tăierea sau remodelarea. Deoarece timpul de acțiune al laserului ultrarapid este extrem de scurt, difuzia căldurii ajunge la echilibru în intervalul picosecunde (10^-12 secunde), ceea ce înseamnă că temperatura ridicată generată este strict limitată la zona rezonantă locală, lăsând structurile nanofire în afara zonei de rezonanță complet nedeteriorate.
Pe baza acestui principiu, cercetătorii au realizat cu succes sudarea nanofirurilor semiconductoare omogene ZnO-ZnO. Sub lățimea impulsului de 35 fs și o densitate de energie de 77,6 mJ/cm², după 30 de secunde de iradiere, nanofirele au fost conectate ferm și nedistructiv. Această descoperire oferă o metodă eficientă și precisă de procesare fără-contact pentru asamblarea tuturor-fotodetectorilor și senzorilor de oxid.
Tehnologia de sudare micro-nano ultrarapidă cu laser, cu lățimea sa extrem de scurtă a impulsului și puterea de vârf extrem de mare, a depășit limitările metodelor tradiționale de sudare în controlul efectelor termice, devenind un instrument indispensabil în domeniul micro-nanoproducției. Prin rezonanța plasmei localizată și mecanismele de absorbție neliniară, această tehnologie poate realiza topirea și legarea precisă a materialelor la scari spațiale și temporale extrem de mici, evitând eficient deteriorarea termică a micro-nanostructurilor din jur. De la microfire metalice la nanofire semiconductoare și chiar și joncțiuni complexe de materiale eterogene, sudarea cu laser ultrarapidă a demonstrat o adaptabilitate largă a materialului și o calitate excelentă a procesării. În viitor, cu cercetări mai aprofundate asupra mecanismelor de interacțiune cu laser-materie și îmbunătățiri ulterioare ale performanței laserului, se așteaptă ca sudarea micro-nano cu laser ultrarapidă să joace un rol și mai important în fabricarea de electronice flexibile, dispozitive nano-optoelectronice și senzori foarte integrați, conducând la o eficiență mai mare și o eficiență mai mare a tehnologiei de micro{{9}nofabricare.
