01 Sissejuhatus
Teaduse ja tehnoloogia pideva arengu ning uute materjalide laialdase rakendamisega areneb kaasaegne tootmine kiiresti kergete, miniatuursete ja suure täpsusega{0}}suundade suunas. Sellistes valdkondades nagu mikroelektroonika, optoelektroonika ja mikro-elektromehaanilised süsteemid (MEMS) on mikro-nanostruktuuride ühendamine ja integreerimine eriti oluline. Traditsioonilised töötlemismeetodid, nagu pikk-impulsslaseriga töötlemine või elektrilahendusega töötlemine, sisaldavad sageli märkimisväärseid soojustsoonide{6}}alasid (HAZ), mis võivad kergesti põhjustada materjali deformatsiooni, mikropragusid või uuesti valada kihte, mis raskendab kõrgete -täpsete vastastikuse ühendamise nõuete täitmist mikro{8}} ja nanoskaalal. Ülikiired laserid, mille all mõeldakse tavaliselt femtosekundi (fs) või pikosekundi (ps) impulsi laiust, pakuvad oma ülikõrge tippvõimsustiheduse ja üli-lühikese interaktsiooniaja tõttu uut lahendust täppistootmiseks. Eelkõige võib ülikiire lasermikro{12}}nanokeevitus (nanokeevitus) ületada traditsioonilise keevitamise termilise difusiooni piirangud ja saavutada täpsed ühendused mikro-nano skaalal. See tehnoloogia kasutab ülikiire laserinteraktsiooni mittelineaarset efekti materjalidega, et saavutada sulamine ja sidumine äärmiselt väikestel aladel, vältides samal ajal ümbritsevate struktuuride kahjustamist. Tuginedes ülikiire lasermikrostruktuuride töötlemise uusimatele edusammudele, keskendutakse selles artiklis ülikiire lasermikro{16}}nanokeevituse põhiprintsiipide, peamiste protsessiparameetrite ja selle tüüpiliste rakenduste selgitamisele erinevates materjalisüsteemides.
02 Ultra{1}}Kiire laserkeevituse põhimõte
Ülikiire lasermikro{0}}nanokeevituse põhimehhanism seisneb termodünaamilises protsessis ja kohaliku välja võimendamise efektis. Põhiprintsiip seisneb selles, et ülikiire laseri ja materjali interaktsiooni kaudu läbib keevitatavate mikrostruktuuride kontaktliides lokaalse sulamise, kõrvaldades seeläbi lüngad ja moodustades stabiilse ühenduse. Alamlainepikkusega struktuuride (nt nanojuhtmed) keevitusprotsessis võib femtosekundiline laserkiirgus esile kutsuda lokaliseeritud plasmaresonantsi, mis tekitab nanojuhtmete ristpunktides või kontaktpiirkondades lokaliseeritud kõrge temperatuuriga väljad, mis võimaldavad nanojuhtmeid ühendada, lõigata või ümber kujundada. Selle tehnoloogia oluline eelis on selle äärmiselt kõrge termiline lokalisatsioon. Tänu ülikiire laseri ülilühikese impulsi laiusele (tavaliselt femtosekundi skaalal) on soojuse difusioon märkimisväärselt alla surutud, võimaldades üldisel temperatuuril jõuda tasakaaluni 10-12 sekundi jooksul. See ülikiire termiline lõdvestusmehhanism tagab, et kõrged temperatuurid piirduvad ainult kohalike piirkondadega, kus esineb plasmaresonants, samas kui nanojuhtme struktuuri piirkondi väljaspool resonantstsooni kõrge temperatuur ei kahjusta, säilitades seeläbi seadme üldise struktuurilise terviklikkuse. Lisaks on keevitusprotsessi parameetrite valikul otsustav mõju keevisõmbluse kvaliteedile. Uuringud on näidanud, et suure impulsi kordussageduse kasutamine koos madala impulsienergiaga võib tõhusalt vähendada haprate intermetalliliste ühendite teket, vähendada keevisõmbluste defektide esinemist ja vältida metallmaterjali liigset ablatsiooni.
Joonis 1. Räniga ülikiire laserinteraktsiooni mittelineaarse ionisatsiooni, plasma evolutsiooni ja termodünaamiliste mehhanismide skemaatiline diagramm.
Joonis 2. Metallide ja mitte-metalliliste materjalide energiasadestamise mehhanismide ja faasimuutusprotsesside võrdlus ülikiire lasermikro-nanokeevituse korral.
03 ülikiired laserkeevitusrakendused
Praegu on ülikiire lasermikro{0}}nanokeevitustehnoloogia laialdaselt rakendatud erinevate juhtivate mikro{1}}nanostruktuuride ühendamiseks. Sõltuvalt materjali omadustest võib selle liigitada peamiselt metalli mikro-nanostruktuuriga keevitamiseks, pooljuhtnanomaterjalide keevitamiseks ja erinevate materjalide heteroühenduskeevituseks. Nendes kolmes rakendusstsenaariumis on ülikiired laserid näidanud traditsiooniliste protsesside ees olulisi eeliseid.
Mis puutub metallist mikro{0}}nanostruktuuride täpsesse ühendamisse, siis traditsioonilised mikro-keevitustehnoloogiad puutuvad mikroni- või nanomeetri-mõõtkavas metalltraatide käsitsemisel sageli kokku tõsiste termiliste ülevooluefektidega, kuna soojussisendit on keeruline täpselt kontrollida. See liigne termiline koormus mitte ainult ei sulata kergesti peeneid metalltraate, vaid kipub moodustama ka hapraid intermetallilisi ühendeid erinevate metallide ühenduskohtades, mille tulemuseks on madal mehaaniline tugevus ja sagedased keevitusdefektid. Seevastu ülikiire laserkeevitus, kasutades ainulaadset protsessistrateegiat, mis ühendab suure impulsi kordussageduse madala impulsienergiaga, saab neist väljakutsetest tõhusalt üle. Kõrge kordussageduse ja madala energia sünergia tagab keevitamiseks piisava energia akumulatsiooni, vähendades samal ajal oluliselt metallimaterjali liigset ablatsiooni, pärssides seeläbi tõhusalt haprate intermetalliliste ühendite teket ja minimeerides keevisõmbluste defekte.
Spetsiifilistes rakendustes kasutasid teadlased esimestena seda tehnoloogiat Ag-mikro{0}}juhtmete keevitamiseks Cu-substraatide külge, näidates selle potentsiaali mikroelektroonilistes ühendustes. Lisaks keevitasid teadlased nanomõõtmeliste Ag-Ag homogeensete metallist nanojuhtmete puhul nanojuhtmed edukalt, kasutades 35 fs ülilühikesi impulsse energiatihedusega ligikaudu 90 mJ/cm². Saadud liigendid ei olnud mitte ainult struktuurselt terved, vaid säilitasid ka suurepärase elektrijuhtivuse ja mehaanilise tugevuse.
Pooljuhtnanomaterjalide mittepurustava ühendamise korral võivad tavapärased globaalsed kuumutamis- või kontaktkeevitusprotsessid kergesti kahjustada nanojuhtmete kristallstruktuuri või põhjustada termilisi kahjustusi mitte-keevisõmblustes pooljuhtmaterjalide suure rabeduse ja termilise tundlikkuse tõttu. Ultrakiire laserkeevitus lahendab selle probleemi ainulaadse lokaliseeritud plasmaresonantsmehhanismi kaudu. Kui nanojuhtmetele rakendatakse femtosekundilist laserkiirgust, indutseeritakse ristumiskohtades või ristmikel lokaalne plasmaresonants, mis tekitab lokaalseid kõrgeid temperatuure keevitamise, lõikamise või ümberkujundamise saavutamiseks. Kuna ülikiire laseri toimeaeg on äärmiselt lühike, saavutab soojuse difusioon tasakaalu pikosekundite vahemikus (10^-12 sekundit), mis tähendab, et tekitatud kõrge temperatuur on rangelt piiratud kohaliku resonantspiirkonnaga, jättes nanojuhtme struktuurid väljaspool resonantstsooni täielikult kahjustamata.
Sellele põhimõttele tuginedes saavutasid teadlased edukalt ZnO-ZnO homogeensete pooljuht-nanojuhtmete keevitamise. Impulsi laiuse 35 fs ja energiatihedusega 77,6 mJ/cm² olid nanojuhtmed pärast 30-sekundilist kiiritamist kindlalt ja mittepurustavalt ühendatud. See läbimurre pakub tõhusat ja täpset kontaktivaba -töötlusmeetodit kõigi-oksiidfotodetektorite ja andurite kokkupanemiseks.
Äärmiselt lühikese impulsi laiuse ja ülikõrge tippvõimsusega ülikiire laser-mikro{0}}nanokeevitustehnoloogia on ületanud traditsiooniliste keevitusmeetodite piirangud termilise mõju kontrollimisel, muutudes mikro-nanotootmise valdkonnas asendamatuks tööriistaks. Tänu lokaliseeritud plasmaresonantsile ja mittelineaarsetele neeldumismehhanismidele on selle tehnoloogia abil võimalik saavutada materjalide täpne sulamine ja sidumine äärmiselt väikestes ruumilistes ja ajalistes skaalades, vältides tõhusalt ümbritsevate mikro{3}}nanostruktuuride termilisi kahjustusi. Metallist mikrojuhtmetest pooljuht-nanojuhtmeteni ja isegi keeruliste heterogeensete materjalide ühenduskohtadeni – ülikiire laserkeevitus on näidanud materjalide laialdast kohanemisvõimet ja suurepärast töötlemiskvaliteeti. Tulevikus on laser-aine interaktsiooni mehhanismide põhjalikumate uuringute ja laseri jõudluse edasise täiustamise tulemusel oodata, et ülikiire lasermikro{7}}nanokeevitus mängib paindliku elektroonika, nano-optoelektrooniliste seadmete ja hästi integreeritud andurite tootmisel veelgi kriitilisemat rolli, mis viib mikro-nanotootmistehnoloogia ja suurema täpsuse tõhususe poole.
