01 Úvod
S neustálym pokrokom vedy a techniky a rozšíreným používaním nových materiálov sa moderná výroba rýchlo rozvíja smerom k ľahkým, miniaturizovaným a vysoko presným -smerom. V oblastiach, ako je mikroelektronika, optoelektronika a mikro-elektromechanické systémy (MEMS), je spojenie a integrácia mikro-nano štruktúr obzvlášť dôležité. Tradičné metódy spracovania, ako je spracovanie laserom s dlhým{5}}pulzom alebo obrábanie elektrickým výbojom, často prichádzajú s výraznými tepelne-ovplyvnenými zónami (HAZ), ktoré môžu ľahko viesť k deformácii materiálu, mikrotrhlinám alebo pretaveným vrstvám, čo sťažuje splnenie požiadaviek na vysokú-presnosť prepojenia v mikro- a nanometri. Ultrarýchle lasery, zvyčajne označované ako lasery so šírkou impulzov v rozsahu femtosekundy (fs) alebo pikosekundy (ps), poskytujú nové riešenie pre presnú výrobu vďaka extrémne vysokej hustote špičkového výkonu a ultra{10}}krátkeho času interakcie. Najmä ultrarýchle laserové mikro-nano zváranie (Nano Welding) môže prekonať obmedzenia tepelnej difúzie tradičného zvárania a dosiahnuť presné spojenia v mikro-nanoúrovni. Táto technológia využíva nelineárne efekty ultrarýchlej interakcie lasera s materiálmi na dosiahnutie tavenia a spájania v extrémne malých oblastiach, pričom nedochádza k poškodeniu okolitých štruktúr. Na základe najnovších pokrokov v ultrarýchlom laserovom spracovaní mikroštruktúr sa tento článok zameriava na vysvetlenie základných princípov ultrarýchleho laserového mikro-nano zvárania, kľúčových parametrov procesu a jeho typických aplikácií v rôznych materiálových systémoch.
02 Ultra{1}}Princíp rýchleho laserového zvárania
Základný mechanizmus ultrarýchleho laserového mikro-nano zvárania spočíva v termodynamickom procese a efekte zvýraznenia lokálneho poľa. Základným princípom je, že prostredníctvom interakcie medzi ultrarýchlym laserom a materiálom sa kontaktné rozhranie mikroštruktúr, ktoré sa majú zvárať, lokálne nataví, čím sa odstránia medzery a vytvorí sa stabilné spojenie. V procese zvárania štruktúr pod vlnovou dĺžkou, ako sú nanodrôty, môže ožarovanie femtosekundovým laserom indukovať lokalizovanú plazmovú rezonanciu, ktorá generuje lokalizované vysokoteplotné polia v krížových bodoch alebo kontaktných oblastiach nanodrôtov, čo umožňuje spojenie, rezanie alebo pretvarovanie nanodrôtov. Významnou výhodou tejto technológie je jej extrémne vysoká tepelná lokalizácia. Vďaka ultrakrátkej šírke impulzu ultrarýchleho lasera (zvyčajne na femtosekundovej stupnici) je difúzia tepla výrazne potlačená, čo umožňuje, aby sa celková teplota dostala do rovnováhy v priebehu 10⁻¹² sekúnd. Tento ultrarýchly mechanizmus tepelnej relaxácie zaisťuje, že vysoké teploty sú obmedzené len na lokálne oblasti, kde dochádza k plazmovej rezonancii, zatiaľ čo oblasti nanodrôtovej štruktúry mimo rezonančnej zóny nie sú poškodené vysokou teplotou, čím sa zachováva celková štrukturálna integrita zariadenia. Okrem toho má výber parametrov procesu zvárania rozhodujúci vplyv na kvalitu zvaru. Štúdie ukázali, že použitie vysokej frekvencie opakovania impulzov v kombinácii s nízkou energiou impulzu môže účinne znížiť tvorbu krehkých intermetalických zlúčenín, znížiť výskyt defektov zvaru a zabrániť nadmernej ablácii kovového materiálu.
Obrázok 1. Schematický diagram nelineárnej ionizácie, vývoja plazmy a termodynamických mechanizmov ultrarýchlej interakcie lasera s kremíkom.
Obrázok 2. Porovnanie mechanizmov nanášania energie a procesov fázovej transformácie kovov a ne-kovových materiálov pri ultrarýchlom laserovom mikro-nano zváraní.
03 Aplikácie ultrarýchleho laserového zvárania
V súčasnosti sa ultrarýchla laserová mikro-nano technológia zvárania široko používa na spájanie rôznych vodivých mikro-nano štruktúr. V závislosti od materiálových charakteristík ho možno rozdeliť najmä na zváranie kovových mikro-nanoštruktúr, zváranie polovodičových nanomateriálov a heterojunkčné zváranie rôznych materiálov. V týchto troch aplikačných scenároch preukázali ultrarýchle lasery významné výhody oproti tradičným procesom.
Pokiaľ ide o presné prepojenie kovových mikro-nanoštruktúr, tradičné mikro-technológie zvárania často čelia závažným účinkom tepelného pretečenia pri manipulácii s kovovými drôtmi v mikrónovej - alebo nanometrovej-rozmere, a to z dôvodu ťažkostí s presnou kontrolou prívodu tepla. Toto nadmerné tepelné zaťaženie nielenže ľahko roztaví jemné kovové drôty, ale má tiež tendenciu vytvárať krehké intermetalické zlúčeniny na spojeniach rôznych kovov, čo má za následok nízku mechanickú pevnosť a časté chyby zvárania. Na rozdiel od toho ultrarýchle laserové zváranie, využívaním jedinečnej procesnej stratégie kombinujúcej vysokú frekvenciu opakovania impulzov s nízkou energiou impulzu, tieto výzvy efektívne prekonáva. Táto synergia vysokej opakovacej frekvencie a nízkej energie zaisťuje dostatočnú akumuláciu energie na zváranie a zároveň výrazne znižuje nadmernú abláciu kovového materiálu, čím účinne potláča tvorbu krehkých intermetalických zlúčenín a minimalizuje chyby zvaru.
V konkrétnych aplikáciách výskumníci ako prví použili túto technológiu na dosiahnutie zvárania Ag mikro-drôtov na Cu substráty, čím demonštrovali jej potenciál v mikroelektronických prepojeniach. Okrem toho v prípade homogénnych kovových nanodrôtov Ag{2}}Ag v nanometroch výskumníci úspešne zvárali nanodrôty pomocou ultrakrátkych impulzov 35 fs pri hustote energie približne 90 mJ/cm². Výsledné spoje boli nielen štrukturálne neporušené, ale tiež si zachovali vynikajúcu elektrickú vodivosť a mechanickú pevnosť.
Pri nedeštruktívnom spájaní polovodičových nanomateriálov môžu konvenčné procesy globálneho zahrievania alebo kontaktného zvárania ľahko poškodiť kryštálovú štruktúru nanodrôtov alebo spôsobiť tepelné poškodenie v -zváracích oblastiach v dôsledku vysokej krehkosti a tepelnej citlivosti polovodičových materiálov. Ultrarýchle laserové zváranie rieši tento problém prostredníctvom jedinečného mechanizmu lokalizovanej plazmovej rezonancie. Keď sa ožarovanie femtosekundovým laserom aplikuje na nanodrôty, na priesečníkoch alebo spojoch sa indukuje lokalizovaná plazmová rezonancia, ktorá vytvára lokalizované vysoké teploty na dosiahnutie zvárania, rezania alebo pretvarovania. Pretože akčný čas ultrarýchleho lasera je extrémne krátky, difúzia tepla dosiahne rovnováhu v rozsahu pikosekund (10^-12 sekúnd), čo znamená, že generovaná vysoká teplota je prísne obmedzená na lokálnu rezonančnú oblasť, takže nanodrôtové štruktúry mimo rezonančnej zóny sú úplne nepoškodené.
Na základe tohto princípu výskumníci úspešne dosiahli zváranie homogénnych polovodičových nanodrôtov ZnO{0}}ZnO. Pri šírke impulzu 35 fs a hustote energie 77,6 mJ/cm² boli po 30 sekundách ožiarenia nanodrôty pevne a nedeštruktívne spojené. Tento prelom poskytuje efektívnu a presnú bez-metódu spracovania na montáž všetkých-oxidových fotodetektorov a senzorov.
Ultrarýchla laserová mikro-nano technológia zvárania s extrémne krátkou šírkou impulzu a extrémne vysokým špičkovým výkonom prekonala obmedzenia tradičných metód zvárania pri kontrole tepelných efektov a stala sa nepostrádateľným nástrojom v oblasti mikro-nano výroby. Prostredníctvom mechanizmov lokalizovanej plazmovej rezonancie a nelineárnych absorpčných mechanizmov môže táto technológia dosiahnuť presné tavenie a spájanie materiálov na extrémne malých priestorových a časových mierkach, čím sa účinne zabráni tepelnému poškodeniu okolitých mikro-nano štruktúr. Od kovových mikrodrôtov až po polovodičové nanodrôty a dokonca aj zložité heterogénne materiálové spojenia, ultrarýchle laserové zváranie preukázalo širokú prispôsobivosť materiálu a vynikajúcu kvalitu spracovania. Očakáva sa, že v budúcnosti, s hlbším výskumom mechanizmov interakcie laserovej-hmoty a ďalšími zlepšeniami výkonu lasera, bude ultrarýchle laserové mikro-nano zváranie hrať ešte kritickejšiu úlohu pri výrobe flexibilnej elektroniky, nano-optoelektronických zariadení a vysoko integrovaných senzorov, čo povedie k efektívnosti mikro{9}}nano výrobnej technológie a vyššej presnosti.
