今年1月，暨南大学和中国科学院的研究人员开发了一种等离子体增强激光纳米焊接技术（PLNS），以提高使用飞秒激光直写（FsLDW）制造的银纳米线的导电性。该项技术为快速生产均匀灵活和高导电性的大面积金属纳米电极和电容器，提供了一种高效经济的途径。

FsLDW工艺用于构建用于2D和3D工程图案的银纳米线，并具有亚微米级的分辨率。这种纳米加工方法具有多种优势，包括高分辨率、真实的三维度和灵活性，目前在光电器件制造领域中得到了广泛应用。

然而，使用这种方法存在一个挑战。使用FsLDW工艺构建的银纳米线是由银纳米粒子的聚集体组成，其中含有会降低导电性的空隙或聚合物夹杂物。为了增加银纳米线的导电性并降低直写银纳米线的电阻，研究人员旨在减少间隙并增加银纳米粒子间的接触面积，从而减少电极中导电电子耗散的能量。

图1：等离子体增强激光纳米焊接实验系统示意图

研究人员通过实验发现，利用光热效应可显著增加相邻银纳米粒子的接触面积。对此，研究人员利用了FsLDW制造银纳米线的结构特征，成功通过等离子体增强激光纳米焊接提高银纳米线的导电性。在多光子效应下，由纳米粒子聚集体组成的纳米线会减少。在激光照射下，纳米粒子之间还会产生等离子体“热点”。

银纳米粒子可以在室温下通过等离子体增强的光热效应实现焊接。这一过程显著增加了纳米粒子之间的接触面积，提高了纳米线的导电性。与传统退火不同，在纳米焊接方法中，热量集中在热点附近，因此不会对基材造成热损伤。

等离子体增强激光纳米焊接系统示意图和光学实验装置如图1所示。中心波长为532nm、脉冲宽度为8ns、重复频率为10Hz的脉冲Nd:YAG激光器（Spectra-Physics，Quanta-Ray）用作激光纳米焊接的光源。

图2：银纳米线扫描电子显微镜图像，插图显示银纳米线中银纳米粒子的尺寸分布

纳秒脉冲激光束通过针孔形成直径为5mm的光斑，以使激光束整形产生均匀的辐射光场。采用衰减器调节激光功率密度，利用机械快门控制激光照射时间精确到1ms，以研究激光照射对导电率的影响。

如图2所示，基于银离子的多光子吸收诱导光还原，通过 FsLDW 制造了平均尺寸约为30nm的银纳米线。在等离子体增强激光焊接工艺中，纳秒脉冲激光对银纳米粒子的吸收会在几皮秒的时间尺度上引起快速加热和熔化。因此，相邻的银纳米粒子在激光照射后接触并焊接在一起。当几个纳米粒子聚集在一起时，由银纳米粒子的表面等离子共振（SPR）引起的光热效应可以大大增强。

图3：等离子体增强电场作为平行和垂直于粒子间轴的光偏振方向的粒子间间隙的函数

因此，低密度的光集中在两个相邻的银纳米粒子之间的间隙处，这些区域被称为“热点”。研究人员对激光与银纳米粒子的相互作用进行建模，等离子体增强电场的数值计算如图3（c）所示。

当入射光的偏振方向平行于粒子间轴而不是垂直于粒子间轴时，粒子间的电场显著增强。银纳米粒子的热值与局部光场强度成正比。增强的光强度有利于将局部纳米焊接温度提高到室温环境下的熔点。

图1显示的是等离子体增强激光纳米焊接工艺示意图。通过用532nm激光照射，将由银纳米粒子组成的银纳米线电极放置在盖玻片上。在激光照射下，由于等离子共振吸收，银纳米线在532nm处具有强光吸收。这种光热效应可以使纳米粒子通过将光能转化为热能产生温度增强。

图4：随着激光照射时间增加的PLNS示意图

随着温度升高，纳米粒子表面就会发生熔化或烧结，并通过图4（ii）所示的等离子体增强光场在粒子间隙处增强。当两个纳米粒子结合在一起时，它们会形成一个“颈部”。银纳米粒子的熔化和烧结过程始于快速“颈部”的形成，然后是由表面扩散驱动的“颈部”生长。最后，银纳米粒子的再结晶导致形成致密的银纳米线，如图4（iii）所示。

如上图5（e）所示。在激光纳米焊接之前，银纳米线是由单个银纳米粒子组成，并且纳米粒子之间存在大量纳米间隔，如图5（ei）所示。激光纳米焊接后，纳米粒子的熔化导致纳米间距的减小和粒径的增加。随着纳米焊接时间的增加，熔化更加充分，纳米粒子紧密连接，如图5（e-iii）所示。在足够激光功率的照射下，等离子体增强激光纳米焊接工艺可以加速银纳米粒子在特定区域内的聚集，从而形成相对光滑和紧凑的连续纳米线。

图5：PLNS 过程中银纳米线形态变化的扫描电子显微镜图像

另外，激光纳米焊接技术不需要复杂的后处理，直接提高了FsLDW制备银纳米线电极的导电性。研究人员还研究了激光功率密度和纳米焊接时间对银纳米线导电率的影响，发现当提升激光功率密度或增加纳米焊接时间时，银纳米线的电阻会明显降低。随着激光照射时间的增加，纳米焊接的纳米粒子和纳米间隙逐渐减少，此时导电率的增加就趋于饱和。

研究人员表示，近年来金属纳米线电极已广泛应用于光电探测器、柔性电路、触控面板和其他设备中。除了提高银纳米线的导电性外，纳米焊接方法还支持使用FsLDW构建的银纳米电极作为活性表面增强拉曼光谱基板、透明电极、电容器、发光二极管和薄膜太阳能电池。未来，高性能纳米电极将为微电子领域应用发展，提供更有利的材料性能。