01 परिचय
विज्ञान और प्रौद्योगिकी की निरंतर प्रगति और नई सामग्रियों के व्यापक अनुप्रयोग के साथ, आधुनिक विनिर्माण तेजी से हल्के, लघु और उच्च परिशुद्धता दिशाओं की ओर विकसित हो रहा है। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम (एमईएमएस) जैसे क्षेत्रों में, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक नैनो संरचनाओं का कनेक्शन और एकीकरण विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। पारंपरिक प्रसंस्करण विधियां, जैसे कि लंबे समय तक पल्स लेजर प्रसंस्करण या इलेक्ट्रिकल डिस्चार्ज मशीनिंग, अक्सर महत्वपूर्ण गर्मी प्रभावित क्षेत्रों (एचएजेड) के साथ आती हैं, जो आसानी से सामग्री विरूपण, माइक्रोक्रैक या परतों को पुनर्गठित कर सकती हैं, जिससे माइक्रो और नैनोस्केल पर उच्च परिशुद्धता इंटरकनेक्शन आवश्यकताओं को पूरा करना मुश्किल हो जाता है। अल्ट्राफास्ट लेज़र, आमतौर पर फेमटोसेकंड (एफएस) या पिकोसेकंड (पीएस) रेंज में पल्स चौड़ाई वाले लेज़रों को संदर्भित करते हैं, अपने अत्यधिक उच्च शिखर शक्ति घनत्व और अल्ट्रा - कम इंटरेक्शन समय के कारण सटीक निर्माण के लिए एक नया समाधान प्रदान करते हैं। विशेष रूप से, अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो नैनो वेल्डिंग (नैनो वेल्डिंग) पारंपरिक वेल्डिंग की थर्मल प्रसार सीमाओं को पार कर सकती है और माइक्रो नैनो पैमाने पर सटीक कनेक्शन प्राप्त कर सकती है। यह तकनीक आस-पास की संरचनाओं को नुकसान से बचाते हुए बेहद छोटे क्षेत्रों में पिघलने और जुड़ने के लिए सामग्रियों के साथ अल्ट्राफास्ट लेजर इंटरैक्शन के नॉनलाइनियर प्रभावों का उपयोग करती है। अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रोस्ट्रक्चर प्रोसेसिंग में नवीनतम प्रगति के आधार पर, यह पेपर अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो नैनो वेल्डिंग के बुनियादी सिद्धांतों, मुख्य प्रक्रिया मापदंडों और विभिन्न सामग्री प्रणालियों में इसके विशिष्ट अनुप्रयोगों को समझाने पर केंद्रित है।
02 अल्ट्रा-फास्ट लेजर वेल्डिंग सिद्धांत
अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो -नैनो वेल्डिंग का मुख्य तंत्र थर्मोडायनामिक प्रक्रिया और स्थानीय क्षेत्र वृद्धि प्रभाव में निहित है। मूल सिद्धांत यह है कि अल्ट्राफास्ट लेजर और सामग्री के बीच बातचीत के माध्यम से, वेल्ड किए जाने वाले माइक्रोस्ट्रक्चर का संपर्क इंटरफ़ेस स्थानीय पिघलने से गुजरता है, जिससे अंतराल समाप्त हो जाता है और एक स्थिर कनेक्शन बनता है। नैनोवायर जैसी सबवेवलेंथ संरचनाओं के लिए वेल्डिंग प्रक्रिया में, फेमटोसेकंड लेजर विकिरण स्थानीयकृत प्लाज्मा अनुनाद को प्रेरित कर सकता है, जो नैनोवायर के क्रॉस पॉइंट या संपर्क क्षेत्रों पर स्थानीयकृत उच्च तापमान क्षेत्र उत्पन्न करता है, जिससे नैनोवायर के कनेक्शन, काटने या पुन: आकार देने में सक्षम होता है। इस तकनीक का एक महत्वपूर्ण लाभ इसका अत्यधिक उच्च तापीय स्थानीयकरण है। अल्ट्राफास्ट लेजर (आमतौर पर फेमटोसेकंड स्केल पर) की अल्ट्राशॉर्ट पल्स चौड़ाई के कारण, गर्मी प्रसार को काफी हद तक दबा दिया जाता है, जिससे समग्र तापमान 10⁻¹² सेकंड के भीतर संतुलन तक पहुंच जाता है। यह अल्ट्राफास्ट थर्मल रिलैक्सेशन तंत्र यह सुनिश्चित करता है कि उच्च तापमान केवल स्थानीय क्षेत्रों तक ही सीमित है जहां प्लाज्मा अनुनाद होता है, जबकि अनुनाद क्षेत्र के बाहर नैनोवायर संरचना के क्षेत्र उच्च तापमान से क्षतिग्रस्त नहीं होते हैं, जिससे डिवाइस की समग्र संरचनात्मक अखंडता बनी रहती है। इसके अलावा, वेल्डिंग प्रक्रिया मापदंडों की पसंद का वेल्ड गुणवत्ता पर निर्णायक प्रभाव पड़ता है। अध्ययनों से पता चला है कि कम पल्स ऊर्जा के साथ उच्च पल्स पुनरावृत्ति दर का उपयोग प्रभावी ढंग से भंगुर इंटरमेटेलिक यौगिकों के गठन को कम कर सकता है, वेल्ड दोषों की घटना को कम कर सकता है, और धातु सामग्री के अत्यधिक अपक्षय को रोक सकता है।
चित्र 1. सिलिकॉन के साथ अल्ट्राफास्ट लेजर इंटरैक्शन के नॉनलाइनियर आयनीकरण, प्लाज्मा विकास और थर्मोडायनामिक तंत्र का योजनाबद्ध आरेख।
चित्र 2. अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो{2}नैनो वेल्डिंग में धातुओं और गैर-धात्विक सामग्रियों की ऊर्जा जमाव तंत्र और चरण परिवर्तन प्रक्रियाओं की तुलना।
03 अल्ट्राफास्ट लेजर वेल्डिंग अनुप्रयोग
वर्तमान में, अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो {{0}नैनो वेल्डिंग तकनीक को विभिन्न प्रवाहकीय माइक्रो{1}नैनो संरचनाओं के कनेक्शन के लिए व्यापक रूप से लागू किया गया है। सामग्री की विशेषताओं के आधार पर, इसे मुख्य रूप से धातु माइक्रो नैनो संरचना वेल्डिंग, सेमीकंडक्टर नैनोमटेरियल वेल्डिंग और असमान सामग्रियों की हेटेरोजंक्शन वेल्डिंग में वर्गीकृत किया जा सकता है। इन तीन अनुप्रयोग परिदृश्यों में, अल्ट्राफास्ट लेज़रों ने पारंपरिक प्रक्रियाओं पर महत्वपूर्ण लाभ प्रदर्शित किए हैं।
धातु के सूक्ष्म {{0}नैनो संरचनाओं के सटीक अंतर्संबंध के संदर्भ में, ताप इनपुट को सटीक रूप से नियंत्रित करने में कठिनाई के कारण पारंपरिक सूक्ष्म {{1}वेल्डिंग प्रौद्योगिकियों को अक्सर माइक्रोन या नैनोमीटर {{3} स्केल धातु के तारों को संभालते समय गंभीर थर्मल अतिप्रवाह प्रभावों का सामना करना पड़ता है। यह अत्यधिक तापीय भार न केवल महीन धातु के तारों को आसानी से पिघला देता है, बल्कि असमान धातुओं के जंक्शनों पर भंगुर इंटरमेटेलिक यौगिक भी बनाता है, जिसके परिणामस्वरूप कम यांत्रिक शक्ति और बार-बार वेल्डिंग दोष होते हैं। इसके विपरीत, अल्ट्राफास्ट लेजर वेल्डिंग, कम पल्स ऊर्जा के साथ उच्च पल्स पुनरावृत्ति दर को मिलाकर एक अनूठी प्रक्रिया रणनीति को नियोजित करके, इन चुनौतियों पर प्रभावी ढंग से काबू पाती है। उच्च पुनरावृत्ति आवृत्ति और कम ऊर्जा का यह तालमेल वेल्डिंग के लिए पर्याप्त ऊर्जा संचय सुनिश्चित करता है जबकि धातु सामग्री के अत्यधिक अपक्षय को काफी कम करता है, जिससे भंगुर इंटरमेटेलिक यौगिकों के गठन को प्रभावी ढंग से दबाया जाता है और वेल्ड दोषों को कम किया जाता है।
विशिष्ट अनुप्रयोगों में, शोधकर्ता इस तकनीक का उपयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे, जिन्होंने माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक इंटरकनेक्शन में इसकी क्षमता का प्रदर्शन करते हुए, Cu सब्सट्रेट्स में Ag माइक्रो तारों की वेल्डिंग प्राप्त की। इसके अतिरिक्त, नैनोस्केल एजी -एजी सजातीय धातु नैनोवायरों के लिए, शोधकर्ताओं ने लगभग 90 एमजे/सेमी² की ऊर्जा घनत्व पर 35 एफएस अल्ट्राशॉर्ट दालों का उपयोग करके नैनोवायरों को सफलतापूर्वक वेल्ड किया। परिणामी जोड़ न केवल संरचनात्मक रूप से बरकरार थे बल्कि उत्कृष्ट विद्युत चालकता और यांत्रिक शक्ति भी बनाए रखी।
सेमीकंडक्टर नैनोमटेरियल के गैर-विनाशकारी कनेक्शन में, पारंपरिक वैश्विक हीटिंग या संपर्क वेल्डिंग प्रक्रियाएं नैनोवायर की क्रिस्टल संरचना को आसानी से नुकसान पहुंचा सकती हैं या सेमीकंडक्टर सामग्री की उच्च भंगुरता और थर्मल संवेदनशीलता के कारण गैर-वेल्ड क्षेत्रों में थर्मल क्षति का कारण बन सकती हैं। अल्ट्राफास्ट लेजर वेल्डिंग अपने अद्वितीय स्थानीयकृत प्लाज्मा अनुनाद तंत्र के माध्यम से इस समस्या का समाधान करती है। जब फेमटोसेकंड लेजर विकिरण को नैनोवायरों पर लागू किया जाता है, तो चौराहों या जंक्शनों पर स्थानीयकृत प्लाज्मा अनुनाद प्रेरित होता है, जिससे वेल्डिंग, काटने या पुनः आकार देने के लिए स्थानीयकृत उच्च तापमान उत्पन्न होता है। क्योंकि अल्ट्राफास्ट लेजर का क्रिया समय बेहद कम है, गर्मी का प्रसार पिकोसेकंड रेंज (10^-12 सेकंड) के भीतर संतुलन तक पहुंच जाता है, जिसका अर्थ है कि उत्पन्न उच्च तापमान स्थानीय अनुनाद क्षेत्र तक ही सीमित है, जिससे अनुनाद क्षेत्र के बाहर नैनोवायर संरचनाएं पूरी तरह से अप्रभावित रहती हैं।
इस सिद्धांत के आधार पर, शोधकर्ताओं ने ZnO-ZnO सजातीय अर्धचालक नैनोवायरों की वेल्डिंग सफलतापूर्वक हासिल की। 35 एफएस पल्स चौड़ाई और 77.6 एमजे/सेमी² की ऊर्जा घनत्व के तहत, विकिरण के 30 सेकंड के बाद, नैनोवायर मजबूती से और गैर-विनाशकारी रूप से जुड़े हुए थे। यह सफलता सभी {{7}ऑक्साइड फोटोडिटेक्टरों और सेंसरों की असेंबली के लिए एक कुशल और सटीक गैर-संपर्क प्रसंस्करण विधि प्रदान करती है।
अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो{0}नैनो वेल्डिंग तकनीक, अपनी बेहद कम पल्स चौड़ाई और अत्यधिक उच्च शिखर शक्ति के साथ, थर्मल प्रभावों को नियंत्रित करने में पारंपरिक वेल्डिंग विधियों की सीमाओं को पार कर गई है, जो माइक्रो{1}नैनो विनिर्माण के क्षेत्र में एक अनिवार्य उपकरण बन गई है। स्थानीयकृत प्लाज्मा अनुनाद और गैर-रेखीय अवशोषण तंत्र के माध्यम से, यह तकनीक बेहद छोटे स्थानिक और अस्थायी पैमाने पर सामग्रियों के सटीक पिघलने और बंधन को प्राप्त कर सकती है, जिससे आसपास के सूक्ष्म नैनो संरचनाओं को थर्मल क्षति से प्रभावी ढंग से बचाया जा सकता है। मेटल माइक्रोवायर से लेकर सेमीकंडक्टर नैनोवायर और यहां तक कि जटिल विषम सामग्री जंक्शनों तक, अल्ट्राफास्ट लेजर वेल्डिंग ने व्यापक सामग्री अनुकूलन क्षमता और उत्कृष्ट प्रसंस्करण गुणवत्ता का प्रदर्शन किया है। भविष्य में, लेजर पदार्थ के संपर्क के तंत्र में गहन शोध और लेजर प्रदर्शन में और सुधार के साथ, अल्ट्राफास्ट लेजर माइक्रो नैनो वेल्डिंग लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स, नैनो ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और अत्यधिक एकीकृत सेंसर के निर्माण में और भी अधिक महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की उम्मीद है, जिससे माइक्रो नैनो विनिर्माण प्रौद्योगिकी उच्च परिशुद्धता और अधिक दक्षता की ओर अग्रसर होगी।
