摘要：据悉，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室、陕西省智能机器人重点实验室、香港城市大学机械工程学系、香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室（NML）的科研人员报道了激光诱导银纳米线焊接技术及其高机械与电学性能研究。相关论文以“Laser-Induced Se
长三角G60激光联盟导读
据悉，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室、陕西省智能机器人重点实验室、香港城市大学机械工程学系、香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室（NML）的科研人员报道了激光诱导银纳米线焊接技术及其高机械与电学性能研究。相关论文以“Laser-Induced Self-Limiting Welding of Ag Nanowires with High Mechanical and Electrical Performance”为题发表在《Advanced Materials》上。
高效高精度的银纳米线焊接技术对新一代微纳器件集成具有重要工程意义，其互连节点的机械行为对可靠性应用（尤其是柔性器件）至关重要。本文基于银纳米线在激光照射下的纳米聚焦与局域等离子体增强特性，获得了机械与电学性能媲美基材的自限域焊接接头。通过阴极发光技术以纳米级分辨率扫描分析银纳米线接头的局域等离子体增强特性，结合理论模拟系统研究了不同激光参数诱导的多物理场耦合调控机制。基于原位激光焊接与纳米力学拉伸实验，系统分析了单根银纳米线及其焊接接头的力学性能，并探究了焊接与拉伸过程中界面原子行为特征及演化过程。
图1 纳秒激光原位自限域焊接银纳米线；A)原位焊接系统装置与银纳米线初始结构；B)150 mW cm⁻²激光能量下不同辐照时间的接头形貌；C)250 mW cm⁻²激光能量下不同辐照时间的接头形貌
图2银纳米线及其间隙的多物理场耦合局域等离子体增强分布特性；A)银纳米线末端及纳米间隙的阴极发光扫描分布；B)1 ns脉宽/0.15 μJ单脉冲照射下接头间隙的局域电场与热场分布；C)激光诱导头部局域能量增强形成的形貌特征；D)不同脉冲频率下接头间隙的温度变化曲线；E)不同激光脉宽下银纳米线的轴向温度分布；F)不同激光波长与纳米间隙下的电场增强因子变化；G)不同激光偏振方向下的电场增强因子变化
图3五重孪晶银纳米线在激光焊接过程中的界面原子演化行为；A)“局域热点”作用下拉伸断裂后焊接过程的分子动力学模拟；B)焊接过程中不同晶格结构占比变化曲线；C)无定形碳包裹银纳米线的“局域热点”焊接模拟；D)不同激光功率下焊接界面的瑞利不稳定性；E)150 mW cm⁻²激光功率焊接1分钟后的接头原子界面特征；F)200 mW cm⁻²激光功率焊接1分钟后的接头原子界面特征
图4银纳米线及其纳米接头在机械拉伸过程中的形貌演化；A)初始银纳米线拉伸形貌演变；B)200 mW cm⁻²激光辐照1分钟后的原位焊接形貌；C)银纳米线接头拉伸形貌演变；D)基于PTP器件的初始银纳米线力-位移曲线与工程应力-应变曲线；E)基于PTP器件的焊接接头力-位移曲线与工程应力-应变曲线；F)250 mW cm⁻²激光辐照1分钟后焊接接头的拉伸形貌演变；G)基于PTP器件的全焊接接头力-位移曲线与工程应力-应变曲线；H)单根银纳米线及其焊接接头的电学性能
图5银纳米线拉伸过程中的原子演化行为；A)单晶银纳米线拉伸形变与位错滑移特征；B)五边形截面五重孪晶银纳米线拉伸形变与位错滑移特征；C)单晶银纳米线拉伸过程中不同晶格结构占比变化；D)单晶银纳米线不同滑移方向位错总长度随时间变化曲线；E)圆形截面五重孪晶银纳米线晶格结构占比变化；F)五边形截面五重孪晶银纳米线晶格结构占比变化；G)五边形截面五重孪晶银纳米线位错总长度变化曲线；H)五重孪晶银纳米线拉伸前后电子衍射图谱
本文采用纳秒激光实现了银纳米线的局域可控自限域焊接。通过调控激光诱导多物理场分布，结合理论模拟与原位实验分析了不同参数下接头的形貌特征与原子演化行为。研究表明：相同能量输入下，高功率密度低频率参数更易在待焊间隙产生高温，加剧原子互扩散形成全焊接接头，但大温度梯度会增大局部应力与界面缺陷；而低功率密度高频率参数使扩散过程更可控且应力更低，但热影响区会扩大。对于不同截面形状的五重孪晶银纳米线，圆形截面比五边形截面能产生更强的局域场增强，因五边形棱角会导致能量耗散。基于原位纳米力学平台的分析表明：焊接接头的断裂强度与基材相当，低功率密度焊接接头塑性更优，高功率会增加界面缺陷导致脆性断裂。拉伸过程中银纳米线会产生大量晶界滑移与位错缺陷，而激光焊接脉冲数的增加会提升断裂界面有序度，并对纳米线其余部分产生热弛豫效应。研究发现：高能量密度下焊接界面会因瑞利不稳定性形成波浪结构，且边缘更易残留非晶态分散剂；而低功率密度下银原子沿间隙缓慢扩散，非晶残留减少，焊接界面晶向逐渐趋同。自限域焊接接头展现出优良的导电性。鉴于银纳米线焊接技术在电子/光子器件中的巨大潜力，以及激光作为高效、柔性、绿色焊接能源的优势，系统研究激光诱导的高精度可控焊接工艺将有力推动基于纳米焊接器件的新一代产业升级。
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长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟