一种钙钛矿纳米结构等离子体激光器制造技术

本发明专利技术属于微纳光子和激光技术领域，特别涉及一种钙钛矿纳米结构等离子体激光器。一种卤化铅钙钛矿等离子体激光器，包括卤化铅钙钛矿纳米片、绝缘介质层、金属基底，卤化铅钙钛矿纳米片为形状规则的正多边形结构，位于金属基底的上方，在卤化铅钙钛矿纳米片与金属基底之间有绝缘介质层，绝缘介质层与卤化铅钙钛矿纳米片的折射率之比小于0.75。本发明专利技术具有有效腔反馈、阈值低且波长可调的特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微纳光子和激光
，特别涉及一种钙钛矿纳米结构等离子体激光器。
技术介绍
在过去的几十年中，激光科学在制造更高、更快、更小的相干光源上取得了巨大成功。与电子器件类似，光子器件的小型化和集成化有广阔的应用前景。超小型激光可应用于化学和生物医学工程领域，如化学物质的高灵敏度检测、高灵敏度小体积的生物传感器、显微术以及激光手术等。此外，超小型激光在全光计算、光存储以及纳米分析等领域也有广泛的应用。基于传统介质材料的激光谐振腔受到衍射极限的限制，其光斑尺寸无法小于光波长的一半。这个长期存在的障碍可以通过表面等离子体技术解决。表面等离子体激元是一种电子疏密振荡波，它以十分紧凑的形式将光能以电子振荡的形式存储在金属和介质交界面处，当介质的光学增益可以补偿耗散损耗时，就可以实现激光。这种新型的紧凑型相干光源被称为表面等离子体激光。利用表面等离子体激元可以对纳米量级的光源进行设计，通过操控Purcell区域的腔量子电动力学，能显著提高其自发辐射率从而大幅度降低激光阈值。这些独特的能力使得表面等离子体激光在过去几年引起了广泛的关注，并取得了很多重要的进展。2012年，中国台湾清华大学物理系Shangjr Gwo小组和美国德克萨斯大学奥斯汀分校Chih-Kang Shih小组利用外延银膜和一个增益介质为外层有外延氮化镓的氮化铟镓纳米棒组成表面等离子体谐振腔成功演示了连续型表面等离子体激光(Science.337,p450-453,2012)。实验中所用的外延银膜达到原子级平滑从而显著地降低了损耗。但由于缺乏有效的腔反馈并且增益介质氮化铟镓量子效率低，俄歇损耗（是指电子和空穴复合后发射电子来释放能量，对于产生激光来说就是损耗）高，该表面等离子体激光仍然必须工作在液氮条件下，以获得足够的增益从而产生激光。另外，公告号为CN 102957086A(一种深亚波长等离子体激光器)的专利中，所专利技术的激光器包括基底层、金属薄膜层、绝缘介质层以及在该绝缘介质层中开设的空气槽，纳米线嵌于空气槽上口部且其下柱面与槽底的金属薄膜之间还有一含有空气的间隙，并在空气间隙中产生激光。虽然利用空气间隙可提高场强效应，但该激光器同样缺乏有效的腔反馈并且存在半导增益介质量子效率低，俄歇损耗高的问题，因此需要更高的能量的泵浦激光或者在低温（采用液态氮冷却）下工作。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：如何解决
技术介绍
中的问题，提供一种具有有效腔反馈、阈值低且波长可调的室温卤化物钙钛矿等离子体激光器。本专利技术所采用的技术方案是：一种卤化铅钙钛矿等离子体激光器，其特征在于：包括卤化铅钙钛矿纳米片、绝缘介质层、金属基底，卤化铅钙钛矿纳米片为形状规则的正多边形结构，位于金属基底的上方，在卤化铅钙钛矿纳米片与金属基底之间有绝缘介质层，绝缘介质层与卤化铅钙钛矿纳米片的折射率之比小于0.75。所述卤化铅钙钛矿纳米片厚度为20-300纳米，横截面形状为正三角形或正六边形，边长为5-50微米。金属基底为100纳米，其材质银或者铝。所述绝缘介质层的材料为二氧化硅或氟化镁中的一种，绝缘层厚度为5-10纳米。所述卤化铅钙钛矿纳米片材质为卤化铅钙钛矿，化学式为CH3NH3PbX3(X=I,Br,Cl)，卤族元素为I、Br、Cl中的一种。首先在基片上蒸镀金属薄膜（金属基底）及其上加载的超薄绝缘介质层，以获得较高表面质量的金属/介质复合膜，然后将增益介质卤化铅钙钛矿纳米片转移到复合膜上方，形成一种纳米片/绝缘介质层/金属薄膜的结构。所述基片材料为硅或蓝宝石。本专利技术的有益效果是：在钙钛矿纳米片和金属基底之间采用厚度为纳米量级的绝缘介质层作为中间层可以将激光集中到一个光斑衍射极限还要小100倍的极小区域。通过中间层将表面等离子体模式和波导模式耦合起来，能量将会存储在非金属区域从而使损耗显著降低。卤化铅钙钛矿的量子产率高达17%，受激辐射十分高效。因此所述卤化铅钙钛矿纳米片等离子体激光器服了现有半导体纳米线表面等离子体激光的量子产率低，俄歇损耗高，腔反馈低的缺陷，可以实现低阈值小型化集成化的激光。卤化铅钙钛矿载流子寿命长达101-2 ns、扩散长度长达微米量级、高荧光产率等优点在室温下就可以为表面等离子体激光提供足够的增益，本专利技术为首次将卤化物钙钛矿应用于等离子体激光器中。结合了表面等离子体激光与新型钙钛矿激光二者的优点，研制出一种以钙钛矿纳米结构为增益介质的表面等离子体激光器。此激光器具有有效的腔反馈可以使激光阈值显著降低。3.利用卤化物钙钛矿取代传统半导体材料构成的纳米结构作为增益介质产生激光，使激光所需要的载流子密度阈值低，另外通过调节卤化物钙钛矿纳米结构的合成材料可调谐激光器的波长，并且卤化物钙钛矿纳米片边缘长度及厚度可调。以卤化铅钙钛矿纳米片/绝缘介质/金属形式的多层复合结构可以激发表面等离子体波导腔共振模式，将光局域在深亚波长区域从而利用Purcell效应进一步降低激光阈值实现一种全新的低阈值超小型激光器，为纳米激光技术的发展做出推动，促进超级计算机芯片、高敏感度生物传感器、疾病的治疗与研究以及下一代通信技术等多个领域向前发展。附图说明图1为本专利技术的卤化铅钙钛矿等离子体激光器的实体结构示意图；图2为本专利技术的卤化铅钙钛矿等离子体激光器的剖面图；图中：1. 卤化铅钙钛矿纳米片，2.绝缘介质层，3. 金属基底。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施做出进一步的说明。实施例1：在一块表面平整的硅基片上蒸镀厚度为100纳米的银，然后在银表面蒸镀厚度为5纳米的二氧化硅，形成银/二氧化硅复合膜；制作碘化铅钙钛矿纳米片CH3NH3PbI3，其中，碘化铅钙钛矿纳米片厚度为150纳米，横截面形状为正六边形，正六边形边长为32微米，然后把碘化铅钙钛矿纳米片移动到银/二氧化硅复合膜上，形成银/二氧化硅/碘化铅钙钛矿纳米片结构，本结构中，银的折射率为0.14+5.14i，厚度为100纳米的银，二氧化硅的折射率为1.45，厚度为5 纳米，碘化铅钙钛矿纳米片的折射率为2.54+0.03i，厚度为150 纳米，横截面形状为正六边形，正六边形边长为32微米。本专利技术结果能够激发表面等离子体波导腔共振模式，将光局域在深亚波长区域从而利用Purcell效应进一步降低激光阈值实现一种全新的低阈值超小型激光器，为纳米激光技术的发展做出推动，促进超级计算机芯片、高敏感度生物传感器、疾病的治疗与研究以及下一代通信技术等多个领域向前发展。实施例2：在一块表面平整的硅基片上蒸镀厚度为100纳米的银，然后在银表面蒸镀厚度为10纳米的二氧化硅，形成银/二氧化硅复合膜；制作溴化铅钙钛矿纳米片CH3NH3PbBr3，其中，溴化铅钙钛矿纳米片厚度为50纳米，横截面形状为正六边形，正六边形边长为32微米，然后把溴化铅钙钛矿纳米片移动到银/二氧化硅复合膜上，形成银/二氧化硅/溴化铅钙钛矿纳米片结构，本结构中，银的折射率为0.14+5.14i，厚度为100纳米的银，二氧化硅的折射率为1.45，厚度为10 纳米，溴化铅钙钛矿纳米片的折射率为2.86+0.04i，厚度为50纳米，横截面形状为正六边形，正六边形边长为32微米。本专利技术结果能够激发表面等离子体波导腔共振模式，将光局域在深亚波长区域从而利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卤化铅钙钛矿等离子体激光器，其特征在于：包括卤化铅钙钛矿纳米片、绝缘介质层、金属基底，卤化铅钙钛矿纳米片为形状规则的正多边形结构，位于金属基底的上方，在卤化铅钙钛矿纳米片与金属基底之间有绝缘介质层，绝缘介质层与卤化铅钙钛矿纳米片的折射率之比小于0.75。

【技术特征摘要】
1.一种卤化铅钙钛矿等离子体激光器，其特征在于：包括卤化铅钙钛矿纳米片、绝缘介质层、金属基底，卤化铅钙钛矿纳米片为形状规则的正多边形结构，位于金属基底的上方，在卤化铅钙钛矿纳米片与金属基底之间有绝缘介质层，绝缘介质层与卤化铅钙钛矿纳米片的折射率之比小于0.75。2.根据权利要求1所述的一种卤化铅钙钛矿等离子体激光器，其特征在于：所述卤化铅钙钛矿纳米片厚度为20-300纳米，横截面形状为正三角形或正六边形，边长为5-50微米...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国辉，崔艳霞，纪兴启，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14