基于近场光学的振镜扫描激光焊接银纳米线网络工艺研究

论文摘要

银纳米线是替代常用铟锡氧化物(Indium Tin Oxide,ITO)制作透明导电电极的理想材料,但是,银纳米线之间的接触电阻降低了银纳米线网络的导电性,制约了银纳米线导电电极规模化应用。寻求有效降低接触电阻方法,提高银纳米线网络导电性成为当前的技术前沿和研究热点。本文针对提高银纳米线网络导电性的瓶颈问题,提出了一种基于近场光学的激光振镜扫描焊接方法,开展了银纳米线网络激光焊接实验和工艺参数优化研究。具体研究内容如下:(1)开展了银纳米线接触点激光焊接理论分析。基于激光与金属材料的相互作用,分析了激光与银纳米线在光学近场范围内的作用机理,探讨了银纳米线在激光作用下的近场增强效应原理及其产生条件,揭示了激光纳米焊接过程中近场光学增强效应的进程规律:第一阶段,具有一定功率的激光照射到银纳米线网络表面,在光学近场空间范围内,银纳米线接触点间隙产生局域场增强放大,产生热量;第二阶段,激光持续照射,局域场增强促使热量积累;第三阶段,局域热积累使纳米间隙温度升高,熔化,焊接。进一步分析了激光纳米焊接的技术原理,为数值模拟和实验研究奠定理论基础。(2)基于时域有限差分法对银纳米线焊接模型进行了高斯入射光波长仿真,为开展具体实验研究提供理论依据。建立了银纳米线焊接的仿真模型,采用时域有限差分法模拟了1064nm、532nm、355nm高斯入射光与银纳米线相互作用的电场分布,研究不同入射光波长对近场增强效应的影响规律,验证了纳米焊接过程中产生场增强放大、熔化和焊接的变化过程与作用机理。研究表明:近场增强效应都发生了,近场增强效应随波长缩短而越加显著。对于本文研究对象——直径100nm的银纳米线(熔点873K)而言,355nm光激发的增强效应过于剧烈,易造成银纳米线结构损伤;1064nm光照射产生较弱的增强效应则难以保证得到良好焊接,相较之下,532nm光所激发增强效应明显,焊接效果也可得到较好保证,综合分析,优选了532nm波长入射光为实验研究过程所用光源。(3)开展了激光振镜扫描银纳米线网络焊接实验研究及工艺参数优化。为降低银纳米线接触电阻,提高电极导电性,采用532nm的纳秒激光和飞秒激光,进行了振镜扫描焊接实验,研究了激光功率和光照时间对焊接质量的影响规律。在保证有效焊接的前提下,以提升焊接质量和效率为目标,进行银纳米线网络焊接工艺参数(激光功率、光照时间)优化,并对焊后性能进行表征。研究表明:激光焊接后银纳米线接触电阻降低了50%,导电性有了很大的提高。基于银纳米线单点焊接的基础上,改进了实验室激光纳米焊接工艺,利用振镜扫描进行银纳米线网络焊接,设计和优化了适用于工业化激光银纳米线焊接的简化工艺。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 银纳米线网络焊接技术研究现状
•     1.2.1 银纳米线网络连接传统方法
•     1.2.2 激光焊接银纳米线研究现状
•   1.3 主要研究内容与技术路线
•     1.3.1 本文主要研究内容
•     1.3.2 本文技术路线
• 第二章 近场光学激光纳米焊接理论基础及表征方法
•   2.1 引言
•   2.2 近场光学基本理论
•     2.2.1 光学近场
•     2.2.2 近场增强效应及其产生条件
•   2.3 激光纳米焊接技术原理
•     2.3.1 表面等离子体激元简介
•     2.3.2 局域表面等离子体共振
•     2.3.3 局域表面等离子体共振的物理原理
•   2.4 银纳米线网络焊接的表征方法
•     2.4.1 扫描电子显微镜形貌
•     2.4.2 紫外可见吸收光谱
•     2.4.3 XRD物相
•     2.4.4 膜电阻
•   2.5 本章小结
• 第三章 银纳米线网络激光纳米焊接数值模拟分析
•   3.1 FDTD Solutions数值模拟方法简介
•   3.2 基于FDTD的纳米焊接模型建立
•     3.2.1 热传输物理模型
•     3.2.2 热传输几何模型
•   3.3 纳米焊接模拟结果与分析
•     3.3.1 不同激光波长照射的模拟分析
•     3.3.2 激光焊接波长选择
•     3.3.3 532nm激光与银纳米线的相互作用
•   3.4 本章小结
• 第四章 银线网络的532nm激光振镜扫描焊接工艺研究
•   4.1 实验方法及焊接技术要求
•     4.1.1 实验材料及实验装置
•     4.1.2 银纳米线网络焊接技术要求
•     4.1.3 脉冲激光微纳焊接实验方法及过程
•   4.2 纳秒绿光-银线网络振镜扫描焊接实验研究
•     4.2.1 激光工艺参数选择
•     4.2.2 激光功率对焊接质量的影响
•     4.2.3 激光光照时间对焊接质量的影响
•   4.3 飞秒绿光-银线网络振镜扫描焊接实验研究
•     4.3.1 激光工艺参数选择
•     4.3.2 激光功率对焊接质量的影响
•     4.3.3 激光光照时间对焊接质量的影响
•   4.4 银纳米线网络焊接的表征分析
•     4.4.1 银纳米线网络的SEM形貌分析
•     4.4.2 银纳米线网络的UV-vis分析
•     4.4.3 银纳米线网络的XRD分析
•     4.4.4 银纳米线网络的膜电阻分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘勇

导师: 冯爱新

关键词: 激光焊接,近场光学,银纳米线网络,振镜扫描

来源: 温州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 温州大学

分类号: TB383.1;TN249;TG456.7

总页数: 67

文件大小: 7355K

下载量: 85