一种精密操控和传递纳米线的装置及方法与流程

本发明涉及微纳制造技术领域，特别是涉及一种精密操控和传递纳米线的装置及方法。

背景技术：

当今，电子产品正向多功能、高密度、高可靠性以及绿色封装等方向特别是小型化(甚至是纳米尺寸)方向迅速发展；同时，连接件性能的要求越来越苛刻，需要纳米连接制造的结构件或元器件数量迅猛增多。随着纳米技术的快速发展，许多不同种类的纳米线被作为基本元器件来制造各种纳米器件。目前，金纳米线、银纳米线和铜纳米线等金属纳米线以及金属氧化物纳米线等半导体纳米线已经被广泛研究和应用于制造各种纳米器件，例如，单光子探测器、柔性可穿戴电子器件和传感器等等。在制造纳米器件过程中，操控传递和焊接纳米线是非常关键的。纳米操控和传递技术是其中的一个重要关键技术，它可以用来控制纳米级构件的组装，为下一步纳米焊接打下重要基础。所以精密操控和传递纳米线是非常重要的和有必要的，这样就有利于更好地制造各种纳米器件。

虽然，目前已有报道利用介电泳技术来取向纳米线，但这只能粗略地控制纳米线。另外，也有报道利用激光诱导前向转移技术来传递材料，但是在动态释放层中使用的物质是金属薄膜、三氮烯、聚酰亚胺或氢化碳薄膜。当动态释放层足够厚(1μm-10μm)时，它们可以完全吸收激光能量，形成水泡；随着激光能量的不断吸收，这种水泡迅速膨胀并传递在它表面的材料。这项技术可以适用于一些敏感材料的传递，例如功能聚合物和分子材料、生物分子材料等，但是这种基于厚膜的激光诱导前向转移技术不适合于纳米线的传递，因为水泡膨胀时会使得纳米线弯曲变形。由上可知，已有的技术方法可以粗略的控制纳米线和传递一些固体材料，但不能到达精密操控和传递纳米线。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供了一种精密操控和传递纳米线的装置及方法，该装置结构简单紧凑、成本低，该方法结合介电泳技术和基于氧化石墨烯作为动态释放层的激光诱导前向转移技术来实现精密地操控和传递纳米线的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种精密操控和传递纳米线的装置，包括：

飞秒脉冲光源；

显微镜物镜，用于将所述飞秒脉冲光源发出的飞秒脉冲激光进行聚焦；

三维控制平移台；

覆设有银膜的第一玻璃片和未覆设有银膜的第二玻璃片，所述第一玻璃片和所述第二玻璃片均放置在所述三维控制平移台上，且当所述飞秒脉冲光源发出的飞秒脉冲激光经过所述显微镜物镜聚焦后照射在所述银膜上，形成银膜间隙；其中，所述银膜是通过在沉积有氧化石墨烯的第一玻璃片上打印银纳米颗粒所形成的；以所述银膜间隙为分割线将所述银膜分割成两部分；

交流电源，与所述银膜间隙的两端连接；

纳米线，取向排列在所述银膜间隙的两端，并当所有的所述纳米线全部覆设在所述第一玻璃片上时，将所述第一玻璃片覆设有纳米线的一面朝向所述第二玻璃片，并通过所述飞秒脉冲光源发出的飞秒脉冲激光经过所述显微镜物镜聚焦后照射在所述第一玻璃片未覆设有纳米线的一面，以使所述纳米线从所述第一玻璃片转移到所述第二玻璃片上。

可选的，所述显微镜物镜的数值孔径为0.8，放大倍数为100倍。

可选的，所述第一玻璃片和所述第二玻璃片均为厚度是0.2mm-0.3mm的钢化玻璃。

可选的，所述三维控制平移台包括第一三维控制平移台和第二三维控制平移台，且所述第一玻璃片放置在所述第一三维控制平移台上，所述第二玻璃片放置在所述第二三维控制平移台上。

可选的，所述银膜的形状为镊子形。

可选的，所述银膜的厚度范围为3μm-4μm。

可选的，所述银膜间隙的宽度范围为2μm-4μm。

一种精密操控和传递纳米线的方法，包括：

在第一玻璃片上沉积一层氧化石墨烯，之后将银纳米颗粒打印在氧化石墨烯上面，形成银膜；

将覆设有银膜的第一玻璃片放在第一三维控制平移台上，打开飞秒脉冲光源，并将所述飞秒脉冲光源发出的飞秒脉冲激光经过显微镜物镜聚焦后照射在所述银膜上，把所述银膜切开，形成银膜间隙；

把交流电源接入到所述银膜间隙的两端，调整电压和频率参数，再把纳米线溶液滴入到所述银膜间隙上，通过介电泳力的作用使得滴在所述银膜间隙内的纳米线取向排列在所述银膜间隙的两端；

将第二玻璃片放置在第二三维控制平移台上，调整所述第一玻璃片使所述第一玻璃片含有排列好纳米线的一面朝下，通过控制所述第一三维控制平移台和/或所述第二三维控制平移台使所述第一玻璃片含有排列好纳米线的一面朝向所述第二玻璃片；

将所述飞秒脉冲光源发出的飞秒脉冲激光经过所述显微镜物镜聚焦后照射在所述第一玻璃片未含有排列好纳米线的一面，然后调控所述飞秒脉冲光源的能量来控制氧化石墨烯产生的氧气气泡的压力，并在氧气气泡的压力作用下逐渐将所述纳米线挤出脱离所述第一玻璃片，并转移到所述第二玻璃片上。

可选的，通过3d打印机将所述银纳米颗粒打印在氧化石墨烯上面，形成银膜。

可选的，控制所述第一三维控制平移台和/或所述第二三维控制平移台使所述第一玻璃片含有排列好纳米线的一面与所述第二玻璃片之间的距离保持在100μm之内。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明结合介电泳技术和基于氧化石墨烯作为动态释放层的激光诱导前向转移技术，实现精密操控和传递纳米线，与已有的技术相比，本发明能够简单、方便、快捷地精密操控和完整传递纳米线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种精密操控和传递纳米线的装置结构示意图；

图2为本发明实施例一种精密操控和传递纳米的方法流程示意图。

其中，1：飞秒脉冲光源；2：显微镜物镜；3a：第一银膜；3b：第二银膜；4：纳米线；5：交流电源；6a：第一玻璃片；6b：第二玻璃片；7a：第一三维控制平移台；7b：第二三维控制平移台；8：氧化石墨烯；9：氧气气泡。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

氧化石墨烯分子中氧的重量约为28％，通过激光还原可将氧的重量降低到3％。在激光还原过程中，氧化石墨烯分子吸收激光能量后能够产生大量氧气，所以可以利用氧化石墨烯替代激光诱导前向转移技术中的动态释放层来精确控制气压，从而到达传递纳米线。因此，结合介电泳技术和基于氧化石墨烯作为动态释放层的激光诱导前向转移技术是可以精密操控和传递纳米线的。

基于此，本发明提供一种精密操控和传递纳米线的装置及方法，通过结合介电泳和基于氧化石墨烯作为动态释放层的激光诱导前向转移，达到精密操控和传递纳米线。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

图1为本发明实施例一种精密操控和传递纳米线的装置结构示意图，如图1所示，该装置结合介电泳技术和基于氧化石墨烯作为动态释放层的激光诱导前向转移技术来精密操控和传递纳米线，该装置包括：

飞秒脉冲光源1，用于产生高功率、脉宽比较窄的飞秒脉冲激光。本实施例选用美国coherent公司libras型号商用钛宝石激光器。该激光器输出的最短脉冲宽度约100fs，平均功率1w，重复频率为1khz，中心波长为800nm。

显微镜物镜2，用于将飞秒脉冲光源1发出的飞秒脉冲激光进行聚焦。本实施例选用数值孔径为0.8，放大倍数为100倍的显微镜物镜。

覆设有银膜的第一玻璃片6a和未覆设有银膜的第二玻璃片6b，当飞秒脉冲光源1发出的飞秒脉冲激光经过显微镜物镜2聚焦后照射在银膜上，形成银膜间隙；其中，银膜是通过在沉积有氧化石墨烯的第一玻璃片6a上打印银纳米颗粒所形成的；以银膜间隙为分割线将银膜分割成两部分，分为第一银膜3a和第二银膜3b。本实施例中银膜的形状为镊子形。银膜的厚度范围为3μm-4μm。银膜间隙的宽度范围为2μm-4μm。

交流电源5，与银膜间隙的两端连接，用于操控银膜间隙上纳米线4的取向排列。本实施例选用台湾固纬电子有限公司gwinsteksfg-1013型号交流信号发生器。

纳米线4，取向排列在银膜间隙的两端，并当所有的纳米线4全部覆设在第一玻璃片6a上时，将第一玻璃片6a覆设有纳米线4的一面朝向第二玻璃片6b，并通过飞秒脉冲光源1发出的飞秒脉冲激光经过显微镜物镜2聚焦后照射在第一玻璃片6a未覆设有纳米线4的一面以使纳米线4从第一玻璃片6a转移到所述第二玻璃片6b上。

其中，第一玻璃片6a用于沉积氧化石墨烯、打印银膜；第二玻璃片6b作为接收器，用于接收接收从银膜间隙上传递下来的纳米线4。本实施例第一玻璃片6a和第二玻璃片6b均选用厚度为0.2mm-0.3mm的钢化玻璃。

放置第一玻璃片6a和第二玻璃片6b的三维控制平移台，包括第一三维控制平移台7a和第二三维控制平移台7b，用于控制第一玻璃片6a与飞秒脉冲激光经过显微镜物镜2聚焦后焦点之间的位置，以及控制第一玻璃片6a、第二玻璃片6b之间的距离。其中，第一玻璃片6a放置在第一三维控制平移台7a上，第二玻璃片6b放置在第二三维控制平移台7b上。

氧化石墨烯8，用于激光诱导前向转移技术中的动态释放层，吸收飞秒脉冲激光能量后产生氧气气泡9。

氧气气泡9，用于挤压排列在银膜间隙上的纳米线4，使得纳米线4完整脱离银膜间隙，从而传递到接收器上。

本发明所采用的一种精密操控和传递纳米线的装置的工作过程如下：在第一玻璃片6a上沉积一层很薄的氧化石墨烯8，利用3d打印机在氧化石墨烯8上打印一个银膜，并把第一玻璃片6a放在第一三维控制平移台7a，有银膜的一面朝上，没有银膜的一面朝下；由飞秒脉冲光源1产生的飞秒脉冲激光经过显微镜物镜2聚焦后，其焦点的位置位于氧化石墨烯8表面，调控飞秒脉冲光源1的输出功率，使得经过显微镜物镜2聚焦后的激光能够将银膜切开形成一个银膜间隙；在银膜间隙两端接入一个电压和频率可调的交流电源5后，将纳米线溶液滴入到银膜间隙上，在介电泳力的作用下，纳米线4能够取向排列在银膜间隙两端；把含有取向排列好纳米线4的第一玻璃片6a轻轻翻转180°，使得有纳米线4的一面朝下，没有纳米线4的一面朝上，重新把第一玻璃片6a放在第一三维控制平移台7a上，通过调整第一三维控制平移台7a的参数来调控第一玻璃片6a与飞秒脉冲激光经过显微镜物镜2聚焦后的焦点之间的距离；第二玻璃片6b作为接收器放在第二三维控制平移台7b上，通过调整第二三维控制平移台7b的参数来调控第二玻璃片6b与第一玻璃片6a之间的距离，使得它们之间的距离保持在100μm之内；再次调控飞秒脉冲光源1的输出功率，使得经过显微镜物镜2聚焦后的激光焦点落在第一玻璃片6a的上表面，第一玻璃片6a下表面的氧化石墨烯8吸收到足够的激光能量后就会产生氧气气泡9，在氧气气泡9压力的作用下逐渐挤出排列在银膜间隙两端的纳米线4，使得纳米线4慢慢地脱离银膜间隙，从而将纳米线4完整地传递到第二玻璃片(接收器)6b上。

实施例2

图2为本发明实施例一种精密操控和传递纳米的方法流程示意图，如图2所示，本实施例提供的一种精密操控和传递纳米线的方法包括：

步骤101：在第一玻璃片上沉积一层氧化石墨烯，之后将银纳米颗粒打印在氧化石墨烯上面，形成银膜。

步骤102：将覆设有银膜的第一玻璃片放在第一三维控制平移台上，打开飞秒脉冲光源，并将所述飞秒脉冲光源发出的飞秒脉冲激光经过显微镜物镜聚焦后照射在所述银膜上，把所述银膜切开，形成银膜间隙。

步骤103：把交流电源接入到所述银膜间隙的两端，调整电压和频率参数，再把纳米线溶液滴入到所述银膜间隙上，通过介电泳力的作用使得滴在所述银膜间隙内的纳米线取向排列在所述银膜间隙的两端。

步骤104：将第二玻璃片放置在第二三维控制平移台上，调整所述第一玻璃片使所述第一玻璃片含有排列好纳米线的一面朝下，通过控制所述第一三维控制平移台和/或所述第二三维控制平移台使所述第一玻璃片含有排列好纳米线的一面朝向所述第二玻璃片。

步骤105：将所述飞秒脉冲光源发出的飞秒脉冲激光经过所述显微镜物镜聚焦后照射在所述第一玻璃片未含有排列好纳米线的一面，然后调控所述飞秒脉冲光源的能量来控制氧化石墨烯产生的氧气气泡的压力，并在氧气气泡的压力作用下逐渐将所述纳米线挤出脱离所述第一玻璃片，并转移到所述第二玻璃片上。

实施例2

本发明还提供了一种精密操控和传递纳米线的方法，该方法的具体步骤为：

1)在第一玻璃片上沉积一层很薄的氧化石墨烯，用3d打印机将直径大约为30nm-40nm的银纳米颗粒打印在氧化石墨烯上面，形成一个厚度大约为3μm-4μm的银膜镊子。

2)把覆设有银膜镊子的第一玻璃片放在第一三维控制平移台上，将合适功率的飞秒脉冲激光经过显微镜物镜聚焦后把银膜镊子切开，形成一个宽度大约为2μm-4μm的银膜间隙。

3)把交流电源接入到银膜间隙两端，输入合适的电压和频率参数，再把纳米线溶液滴入到银膜间隙上，通过介电泳力的作用使得纳米线可以很好地取向排列在银膜间隙两端。

4)调整含有排列好纳米线的第一玻璃片，再把含有排列好纳米线的第一玻璃片放在三维控制平移台上，有纳米线的一面朝下，没有纳米线的一面朝上，第二玻璃片作为接收器放置在第二三维控制平台上，调整第二三维控制平移台使得第一玻璃片和第二玻璃片之间的距离保持在100μm之内。

5)将飞秒脉冲激光经过显微镜物镜聚焦后输入到第一玻璃片的上表面，第一玻璃片下面的氧化石墨烯吸收足够的激光能量后就会产生氧气气泡，通过调控输入飞秒脉冲激光的能量可以精确控制氧气气泡的压力，在氧气气泡压力的作用下逐渐将纳米线挤出脱离银膜，从而将纳米线从第一玻璃片完整地转移到第二玻璃片上，即可以将纳米线传递到所需要的地方。

本发明的工作原理及过程是：在银膜间隙两端接入交流电源后，当纳米线溶液滴入到银膜间隙上时，纳米线会受到电场力(介电泳力)的作用，这个作用在纳米线上的时间平均介电泳力(time-averageddielectrophoresis(dep)forces)可以表示为：

其中，r表示纳米线的半径，l表示纳米线的长度，ε表示悬浮介质溶剂异丙醇(ipa)的介电常数，k表示clausius-mosotti因子的实部，e表示电场。

当悬浮在溶液里的纳米线处于其他位置时，它们就不会受到时间平均介电泳力的作用，这样纳米线就不能产生取向结果，即纳米线线不能取向排列在间隙两端；而当悬浮在溶液里的纳米线横跨在间隙上时，它们就会受到时间平均介电泳力的作用，从而使得纳米线可以很好地取向排列在间隙两端，所以利用介电泳技术能够操控纳米线。

在纳米器件的制造过程中，激光诱导前向转移技术是一种直接沉积技术，它利用激光诱导的气体压力将材料从透明支架(载体)转移到接收基底(接收器)上。对于纳米制造，常常需要完整的转移或传递材料。对于传递热敏材料，要使用一个动态释放层来作为诱导的牺牲层，这个动态释放层中使用的物质是金属薄膜、三氮烯、聚酰亚胺或氢化碳薄膜。当动态释放层足够厚(1μm-10μm)时，它们可以完全吸收激光能量，形成水泡；随着激光能量的不断吸收，这种水泡迅速膨胀并传递在它表面的材料。这项技术可以适用于一些敏感材料的传递，但是这种基于厚膜的激光诱导前向转移技术不适合于纳米线的传递，因为水泡膨胀时会使得纳米线弯曲变形。对于基于厚膜的激光诱导前向转移，在使用纳秒脉冲激光时，其输入的激光能流密度大约是1000mj/cm²，甚至可以更高。如果利用三氮烯作为动态释放层，当使用飞秒脉冲激光时，传递固体材料所需的激光能流密度大约为90mj/cm²。由于三氮烯是一种紫外敏感聚合物，最大吸收能量的波长在320nm，不适合于红外飞秒脉冲激光。

这里利用很薄的氧化石墨烯来替代这个动态释放层时，那是因为单层氧化石墨烯非常薄，大约只有0.8～1.1nm。氧化石墨烯分子中氧的重量约为28％，通过激光还原可将氧的重量降低到3％。氧化石墨烯激光还原所需的能流密度理论阈值是3.3mj/cm²，实验阈值是8.5mj/cm²，这个能流密度阈值远远小于皮秒和纳米脉冲激光，以及基于厚膜的飞秒脉冲激光。在激光还原过程中，氧化石墨烯分子吸收激光能量后能够产生大量氧气，通过调控输入飞秒脉冲激光的能量来精确控制氧气气压，在气压的作用下逐渐将纳米线挤出并脱离基底，从而将纳米线完整地传递到所需的地方。

目前，介电泳技术比较广泛的应用于操控纳米线，由于其操作简单，已经被越来越多的研究者接受；基于厚膜的激光诱导前向转移技术也已经应用于传递一些固体材料，但是它不适用于传递纳米线。因此，与传统技术相比，本实施例同时结合利用介电泳技术和基于氧化石墨烯作为动态释放层的激光诱导前向转移技术，实现纳米线的精密操控和传递。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。