外场强化的低温奥斯特瓦尔德纳米焊接

Assembly of nanomaterials into functional nanostructures and nanodevices is a prerequisite to utilize the unique properties of nanomaterials. To this end, it is necessary to create nanojointing among nanostructure units and among the units with external circuits (e.g., micro-nano electrodes), thereby creating efficient electron transport pathways. This project will study solder-free, low temperature nanowelding of nanomaterials, based on the external field-strengthened Ostwald ripening of nanomaterials proposed in this project. In particular, this project will: 1) induce highly uneven distribution of electrons within nanomaterials, using external light, electric field, magnetic field, and so on , to create strong electrostatic repulsion at the localized locations where abundant charges are enriched, thereby greatly strengthening the detaching and dissolving of atoms therein; 2) design homogeneous and heterogeneous nanogaps from the same and different type of nanomaterials, and investigate the influence of the external filed, the nature of the nanomaterials and solvent on the dissolving of the surface atoms, their diffusion within nanogaps, and rearrangement, thereby revealing the principles that dictate the nanowelding of homogeneous and heterogeneous nanomaterials; and 3) combine nanowelding developed and assembly of nanomaterials to create functional nanostructures, electric elements, or nanodevices (e.g., conductive wire, transparent conductor et al.), and then evaluate their performance, thereby demonstrating the practical applications of this project. The research will provide fundamental understanding and feasible adjusting ways on the Ostwald ripening of nanomaterials and also will develop new low-temperature nanowelding. The results achieved may have forward-looking instructional significance on nanowelding, electronic packing, fabrication of electrocatalysts, and beyond.

纳米组装是构筑序功能化纳米结构和器件，进而将纳米材料特殊性质在实践中应用的前提。为此，需要在纳结构单元之间以及纳结构单元和外界（如微纳电极）之间建立纳米互接，以提供有效的电子通道。本项目拟通过外场强化纳米材料的奥斯特瓦尔德溶解，研究无需额外钎料的低温纳米焊接。主要研究内容包括：1）以光、电和磁等外场诱导纳米材料中的电子不均匀分布，从而在电荷富集的局域表面产生强静电斥力，以强化该位置原子的脱落和溶解；2）设计同质和异质纳米间隔，并研究外场、材料性质和溶剂等因素对纳米材料表面原子溶解、扩散和重排的影响，以揭示同质和异质纳米材料的焊接规律；3）结合纳米焊接和纳米组装构筑功能化纳米结构、元件或器件（如纳米导线、透明导体等），测试其性能，以验证项目的实用性。项目的研究可以深入认识和调制奥斯特瓦尔溶解，发展出新的低温纳米焊接技术。研究成果对纳米互连、电子封装、以及电催化剂的制备等具有前瞻指导价值。

项目研究了纳米材料的无钎料焊接行为，以探索和发展低温纳米焊接策略，认识其内在的焊接规律，并探索纳米焊接和有关认识的应用，取得了如下的主要结果。1）以光、直流电、交流电和低温等离子体等为激励源，实现了对金纳米粒子、银纳米粒子和银纳米线等纳米材料的焊接，发展了系列纳米焊接策略。2）揭示外场 (通过局域金属纳米材料中的电子）不仅强化了纳米材料表面原子的扩散过程而且强化了其溶解、限域传输和再沉积过程（即电化学Ostwald过程），从而建立了新的、低温Ostwald纳米焊接策略。3）利用所建立的纳米焊接策略，自纳米材料焊接加工出了高性能的薄膜电催化剂、多孔金、透明电极和透明加热器等功能性材料、元件和器件。4）根据对纳米焊接的理解，揭示在表面增强拉曼散射（SERS）测量过程中，光焊接可以逐渐移除SERS热点（即纳米粒子间的纳米间隙）并导致光谱重现性差，从而为设计高稳定性SERS基底提供了实验依据。5）对纳米焊接机制的认识（即局域电子可以强化纳米粒子的Ostwald过程，但在电化学条件下电解质易导致纳米粒子失稳聚集）启发本项目建立了一种绿色的、无支持电解质的碰撞电化学合成策略。该策略可以用电子作为绿色还原剂合成金属纳米粒子，其产率可媲美于化学合成法。本项目在J. Am. Chem. Soc., Nano Res., J. Phys. Chem. C等国内外期刊发表论文13篇，申请专利4件（其中授权2件）。