01 Inleiding
Met de voortdurende vooruitgang van wetenschap en technologie en de wijdverbreide toepassing van nieuwe materialen ontwikkelt de moderne productie zich snel in de richting van lichtgewicht, geminiaturiseerde en hoge- precisierichtingen. Op gebieden als micro-elektronica, opto-elektronica en micro-elektromechanische systemen (MEMS) zijn de verbinding en integratie van micro-nanostructuren bijzonder belangrijk. Traditionele verwerkingsmethoden, zoals lange-pulslaserbewerking of elektrische ontladingsbewerking, gaan vaak gepaard met aanzienlijke hitte-zones (HAZ), die gemakkelijk kunnen leiden tot materiaalvervorming, microscheuren of herschikking van lagen, waardoor het moeilijk wordt om te voldoen aan de hoge-precieze vereisten voor onderlinge verbindingen op micro- en nanoschaal. Ultrasnelle lasers, meestal verwijzend naar lasers met pulsbreedtes in het femtoseconde (fs) of picoseconde (ps) bereik, bieden een nieuwe oplossing voor precisieproductie vanwege hun extreem hoge piekvermogensdichtheid en ultra-korte interactietijd. Met name ultrasnel laser-micro-nanolassen (Nano Welding) kan de thermische diffusiebeperkingen van traditioneel lassen overwinnen en nauwkeurige verbindingen op micro-nanoschaal realiseren. Deze technologie maakt gebruik van de niet-lineaire effecten van ultrasnelle laserinteractie met materialen om smelten en hechten in extreem kleine gebieden te bereiken, terwijl schade aan omliggende structuren wordt vermeden. Gebaseerd op de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van ultrasnelle lasermicrostructuurverwerking, richt dit artikel zich op het uitleggen van de basisprincipes van ultrasnel lasermicro-nanolassen, de belangrijkste procesparameters en de typische toepassingen ervan in verschillende materiaalsystemen.
02 Ultra-snel laserlasprincipe
Het kernmechanisme van ultrasnel laser-micro-nanolassen ligt in het thermodynamische proces en het lokale veldverbeteringseffect. Het basisprincipe is dat door de interactie tussen de ultrasnelle laser en het materiaal het contactvlak van de te lassen microstructuren lokaal smelt, waardoor gaten worden geëlimineerd en een stabiele verbinding wordt gevormd. Bij het lasproces voor structuren met een subgolflengte, zoals nanodraden, kan femtoseconde-laserbestraling gelokaliseerde plasmaresonantie induceren, die gelokaliseerde hoge- temperatuurvelden genereert op de kruispunten of contactgebieden van de nanodraden, waardoor het verbinden, snijden of hervormen van de nanodraden mogelijk wordt. Een belangrijk voordeel van deze technologie is de extreem hoge thermische lokalisatie. Door de ultrakorte pulsbreedte van de ultrasnelle laser (meestal op femtosecondeschaal) wordt de warmtediffusie aanzienlijk onderdrukt, waardoor de algehele temperatuur binnen 10⁻¹² seconden een evenwicht bereikt. Dit ultrasnelle thermische relaxatiemechanisme zorgt ervoor dat hoge temperaturen alleen beperkt blijven tot de lokale gebieden waar plasmaresonantie optreedt, terwijl gebieden van de nanodraadstructuur buiten de resonantiezone niet worden beschadigd door de hoge temperatuur, waardoor de algehele structurele integriteit van het apparaat behouden blijft. Bovendien heeft de keuze van de lasprocesparameters een beslissende invloed op de laskwaliteit. Studies hebben aangetoond dat het gebruik van een hoge pulsherhalingssnelheid in combinatie met een lage pulsenergie de vorming van brosse intermetallische verbindingen effectief kan verminderen, het optreden van lasdefecten kan verminderen en overmatige ablatie van het metalen materiaal kan voorkomen.
Figuur 1. Schematisch diagram van de niet-lineaire ionisatie, plasma-evolutie en thermodynamische mechanismen van ultrasnelle laserinteractie met silicium.
Figuur 2. Vergelijking van mechanismen voor energieafzetting en fasetransformatieprocessen van metalen en niet-metalen materialen bij ultrasnel lasermicro-nanolassen.
03 Ultrasnelle laserlastoepassingen
Momenteel wordt ultrasnelle laser-micro-nano-lastechnologie op grote schaal toegepast op de verbinding van verschillende geleidende micro-nano-structuren. Afhankelijk van de materiaaleigenschappen kan het voornamelijk worden onderverdeeld in lassen van metalen micro-nanostructuren, lassen van halfgeleider nanomaterialen en heterojunctielassen van ongelijksoortige materialen. In deze drie toepassingsscenario's hebben ultrasnelle lasers aanzienlijke voordelen laten zien ten opzichte van traditionele processen.
Wat de precieze onderlinge verbinding van metalen micro{0}}nanostructuren betreft, worden traditionele micro-lastechnologieën vaak geconfronteerd met ernstige thermische overloopeffecten bij het hanteren van metaaldraden op micron- of nanometer- schaal, vanwege de moeilijkheid om de warmte-inbreng nauwkeurig te controleren. Deze overmatige thermische belasting doet niet alleen fijne metaaldraden gemakkelijk smelten, maar heeft ook de neiging om broze intermetallische verbindingen te vormen op de verbindingen van ongelijksoortige metalen, wat resulteert in een lage mechanische sterkte en frequente lasfouten. Ultrasnel laserlassen daarentegen overwint deze uitdagingen effectief, door gebruik te maken van een unieke processtrategie die hoge pulsherhalingsfrequenties combineert met lage pulsenergie. Deze synergie van hoge herhalingsfrequentie en lage energie zorgt voor voldoende energieaccumulatie voor het lassen, terwijl overmatige ablatie van het metalen materiaal aanzienlijk wordt verminderd, waardoor de vorming van broze intermetallische verbindingen effectief wordt onderdrukt en lasdefecten worden geminimaliseerd.
In specifieke toepassingen waren onderzoekers de eersten die deze technologie gebruikten om Ag-micro-draden aan Cu-substraten te lassen, wat het potentieel ervan op het gebied van micro-elektronische verbindingen aantoonde. Bovendien hebben onderzoekers voor Ag-Ag-homogene metalen nanodraden op nanoschaal met succes de nanodraden gelast met behulp van ultrakorte pulsen van 35 fs bij een energiedichtheid van ongeveer 90 mJ/cm². De resulterende verbindingen waren niet alleen structureel intact, maar behielden ook een uitstekende elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte.
Bij de niet-destructieve verbinding van halfgeleider nanomaterialen kunnen conventionele globale verhittings- of contactlasprocessen gemakkelijk de kristalstructuur van nanodraden beschadigen of thermische schade veroorzaken in niet-lasgebieden vanwege de hoge brosheid en thermische gevoeligheid van halfgeleidermaterialen. Ultrasnel laserlassen pakt dit probleem aan via het unieke gelokaliseerde plasmaresonantiemechanisme. Wanneer femtoseconde laserbestraling wordt toegepast op nanodraden, wordt gelokaliseerde plasmaresonantie geïnduceerd op de kruispunten of kruispunten, waardoor lokaal hoge temperaturen worden gegenereerd om lassen, snijden of hervormen te bewerkstelligen. Omdat de actietijd van de ultrasnelle laser extreem kort is, bereikt de warmtediffusie een evenwicht binnen het picosecondebereik (10^-12 seconden), wat betekent dat de gegenereerde hoge temperatuur strikt beperkt blijft tot het lokale resonantiegebied, waardoor de nanodraadstructuren buiten de resonantiezone volledig onbeschadigd blijven.
Op basis van dit principe zijn onderzoekers er met succes in geslaagd ZnO-ZnO homogene halfgeleider nanodraden te lassen. Onder een pulsbreedte van 35 fs en een energiedichtheid van 77,6 mJ/cm² waren de nanodraden na 30 seconden bestraling stevig en niet-destructief verbonden. Deze doorbraak biedt een efficiënte en nauwkeurige contactloze verwerkingsmethode voor de assemblage van alle-oxide-fotodetectoren en -sensoren.
Ultrasnelle laser-micro-nano-lastechnologie, met zijn extreem korte pulsbreedte en extreem hoog piekvermogen, heeft de beperkingen van traditionele lasmethoden bij het beheersen van thermische effecten overwonnen en is een onmisbaar hulpmiddel geworden op het gebied van micro-nano-productie. Door middel van gelokaliseerde plasmaresonantie en niet-lineaire absorptiemechanismen kan deze technologie het nauwkeurig smelten en verbinden van materialen op extreem kleine ruimtelijke en temporele schaal bereiken, waardoor thermische schade aan omringende micro-nanostructuren effectief wordt vermeden. Van metalen microdraden tot halfgeleider nanodraden en zelfs complexe heterogene materiaalverbindingen: ultrasnel laserlassen heeft een breed materiaalaanpassingsvermogen en een uitstekende verwerkingskwaliteit aangetoond. In de toekomst, met diepgaander onderzoek naar de mechanismen van laser-materie-interactie en verdere verbeteringen in de laserprestaties, wordt verwacht dat ultrasnel laser-micro-nanolassen een nog crucialere rol zal spelen bij de productie van flexibele elektronica, nano-opto-elektronische apparaten en sterk geïntegreerde sensoren, waardoor de micro-nano-productietechnologie naar hogere precisie en grotere efficiëntie zal worden gestuurd.
