一种锥形氧化锌紫外纳米激光器及其制备方法技术

本发明专利技术的一种锥形氧化锌紫外纳米激光器及其制备方法，属于纳米激光器的技术领域。本发明专利技术以ZnO纳米锥作为增益介质和光学谐振腔，制备出一种锥形紫外纳米激光器；该纳米锥具有六边形顶面和底面,底边长约0.5～1.0μm，顶边长约0.1μm，高度约2μm。制备方法是以Zn粉和氧气为原材料，利用CVD方法在蓝宝石衬底上生长出高纯度的ZnO纳米锥。所制备的高纯度ZnO纳米锥的荧光仅出现在385nm左右，可以作为紫外纳米激光器的增益介质，经过光学测试，锥形ZnO紫外纳米激光器光泵浦阈值为5.33mJ/cm2,Q值是1440.40，在生物学、医学、信息储存等领域中具有潜在的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种锥形氧化锌紫外纳米激光器及其制备方法
本专利技术属于激光器设计制造的
，特别涉及以ZnO的微纳结构作为增益介质和谐振腔的紫外纳米激光器。
技术介绍
激光器在生物传感器、显微术、激光外科、光计算、信息存储、纳米分析等领域中有着非常广泛的应用。近年来，随着微纳加工技术的发展，在微纳尺度上的半导体纳米激光器引起了人们浓厚的兴趣。具有特定几何形状的半导体微纳结构既可以作为增益介质也可以作为光学谐振腔，制备纳米激光器。以前报道过激光器共振模式有法布里-帕罗模式、回音壁模式和随机散射模式。如ZnO纳米线在两个相对的端面之间构成法布里-帕罗共振模式；ZnO六角微盘在六个侧面之间构成回音壁共振模式；ZnO纳米粉末的颗粒之间可发生光的随机散射构成闭合光共振通道，产生随机散射共振模式。本专利技术的ZnO紫外纳米激光器是利用单个ZnO纳米锥作为共振腔而制备的。这种模式不同于上述三种激射模式，是一种光学腔模。本专利技术的ZnO纳米锥激光器的几何形状和尺寸与上述纳米激光器不同，这种共振模式对ZnO纳米锥的几何形状和尺寸有严格的要求，尽管以前有过相关报道，利用水热或沉积方法制备出具有相类似几何结构的ZnO结构，并对其光学性质进行了充分的表征，然而，直到目前为止，由于受限于材料的纯度和几何形状，无法在这些类似的锥体结构中实现光激射，没能制备出ZnO纳米锥激光器。本专利技术人采用CVD方法，优化了纳米锥的材料纯度和几何形状，合成出了具有低缺陷和良好几何形状的ZnO纳米锥，制备出了一种锥形ZnO紫外纳米激光器。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，设计一种利用单个ZnO纳米锥作为共振腔而制备的锥形氧化锌紫外纳米激光器，创立一种不同以往的光学腔模激射模式；采用操作简单、成本低廉的CVD方法生长出来纯度高和产量高的ZnO纳米锥。本专利技术不仅制备出ZnO纳米锥，而且采用了数值计算方法分析了ZnO纳米锥的共振模式，计算了电场能量的分布。结果表明纳米锥共振时电场能量几乎不分布在纳米锥的上半部分，而主要分布于下半部分。通过控制CVD生长条件从而对样品的几何尺寸和纯度进行控制，使其成为光学共振腔，在内部实现了光的增益，据此设计并制备出了一种ZnO紫外纳米激光器。模拟计算表明，样品底端的六边形边长不能小于约0.3μm，而且高度不能低于约0.6μm，因此，本专利技术样品生长高度约2μm，底边六边形边长约0.5μm。本专利技术锥形氧化锌紫外纳米激光器的具体技术方案如下所述。一种锥形氧化锌紫外纳米激光器，由六角纳米锥形状的ZnO构成阵列；单个纳米ZnO的底端面为光滑的六边形，边长在0.5～1.0μm范围内，高度为1.9～2.2μm，顶端面为近似六边形，边长为0～0.1μm。本专利技术以ZnO纳米锥作为增益介质和光学谐振腔，制备出一种锥形紫外纳米激光器。只有在上述参数范围内优化的几何形状和尺寸，才可以实现ZnO纳米锥的光学共振。本专利技术的锥形氧化锌纳米激光器只在380～395nm出现对应半导体本征带隙的自发辐射(即ZnO具有高纯度和光学质量,只在385nm左右出现对应半导体本征带隙的自发辐射，参见图6)，在其他波段没有缺陷导致的荧光峰出现。本专利技术以ZnO纳米锥作为增益介质和光学谐振腔，制备出一种锥形紫外纳米激光器。这种基于锥体的光学共振腔，与法布里-帕罗模式(Fabry-Perotmode)和回音壁模式(whispering-gallerymode)不同。锥体的上半部分对光学共振的贡献较少，电场强度主要分布于锥体的下半部分并且靠近侧壁，与回音壁模式有些类似。本专利技术锥形氧化锌紫外纳米激光器的制备方法的具体技术方案如下所述。一种锥形氧化锌紫外纳米激光器的制备方法，有衬底制作过程和ZnO纳米锥制备过程；所述的衬底制作过程，是在沿C面切割的蓝宝石上溅射一层GaN薄膜作为衬底；所述的ZnO纳米锥制备过程，是将Zn粉和衬底放入石英舟内置于管式炉中间，衬底位于Zn粉下游处；将石英舟抽真空到6×10-3Pa后保持30min，再以流速为1120SCCM充入Ar气，升温至495～510℃后，以流速为13SCCM充入O2气，将石英舟内压力控制在10Pa保持1h；最后自然冷却至室温，在衬底蓝宝石C面上得到ZnO六角纳米锥阵列。所述的GaN薄膜，厚度可以是2μm，目的在于消除蓝宝石衬底和GaN之间的应力。所述的Zn粉，最好选择质量纯度为99.99％；所述的O2气，最好选择质量纯度为99.99％。所述的衬底位于Zn粉下游处，二者之间应当相距2cm左右。所述的升温，是以20℃/min的速率升温至500℃。ZnO纳米锥制备过程中应当在通入Ar气之后再升温，升温至495～510℃以后再通入O2气，这样控制ZnO的生成条件，减少缺陷提高ZnO的光学质量。制备之后对生长的样品进行形貌和光谱表征。使用波长为355nm脉冲激光作为激发光，分别对样品整体和单个ZnO纳米锥进行光学测试，分析激射阈值和Q值等参数。本专利技术的ZnO纳米锥生长方法具有操作简单、成本低廉、无需催化剂和对环境友好等优点，并且生长出来的ZnO纳米锥具有纯度高和产量高的特点，为纳米锥激光器在实际应用提供了便利，在生物学、医学、信息储存、光计算和纳米分析等领域中具有重要的潜在应用价值。附图说明图1是ZnO紫外纳米激光器的电场强度分布的计算结果。图2是本专利技术制备样品的生长设备。图3是本专利技术制备的整个样品的电子扫描图像(SEM)。图4是本专利技术制备的单根ZnO纳米锥的SEM图。图5是测试样品光学性质的光路示意图。图6是本专利技术ZnO纳米锥荧光谱图。图7是本专利技术整个样品的光学激射图。图8是本专利技术整个样品的激射谱图。图9是本专利技术单根ZnO纳米锥的光学激射图。图10是本专利技术单根ZnO纳米锥样品激射谱图。图11是本专利技术ZnO紫外纳米激光器激射阈值的拟合图。具体实施方式实施例1ZnO纳米锥激光器的设计为了设计ZnO紫外纳米激光器，模拟计算了ZnO纳米锥的电场强度分布，分析其共振模式。图1是本专利技术计算的纳米锥内电场强度的分布图。从图1中可以看出，电场能量主要分布于纳米锥下半部分，样品的上半部分电场能量的分布很少，这表明ZnO纳米锥激光器对底边长具有严格的要求，样品的底边长大于约0.3μm的时候，才能支持光学共振腔模式的存在。在经过严格的计算分析后，得到了激光器的几何尺寸的范围，底边边长约0.5μm-1.0μm,顶边边长约0.1μm，高度大约2μm。实施例2ZnO纳米锥制备过程和样品表征图2是ZnO纳米锥生长设备的示意图。管式炉内插有石英舟，石英舟内左侧放置锌粉，右侧放置溅射一层GaN薄膜的蓝宝石衬底。采用CVD方法，在沿C面切割的蓝宝石上溅射一层厚度约2μm的GaN薄膜作为衬底，高纯度Zn粉(99.99％)和O2气(99.99％)作为原材料。将Zn粉放入石英舟内置于管式炉中间，衬底位于Zn粉2cm下游处。利用分子泵将背底真空抽到6×10-3Pa后保持30min，充入Ar气，控制Ar气的流速为1120SCCM，利用蝶阀将压力自始至终控制在10Pa附近，以20℃/min的速率从室温升至500℃后充入O2气，控制O2气的流速为13SCCM，保持1h，完成反应后自然冷却至室温，在衬底蓝宝石C面上得到ZnO六角纳米锥阵列。为了进一步确认样品的形貌，利用SEM分别表征了整个样本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锥形氧化锌紫外纳米激光器，其特征在于，由六角纳米锥形状的ZnO构成阵列；单个纳米ZnO的底端面为光滑的六边形，边长在0.5～1.0μm范围内，高度为1.9～2.2μm，顶端面为近似六边形，边长为0～0.1μm。

【技术特征摘要】
1.一种锥形氧化锌紫外纳米激光器，其特征在于，由六角纳米锥形状的ZnO构成阵列；单个纳米ZnO的底端面为光滑的六边形，边长在0.5～1.0μm范围内，高度为1.9～2.2μm，顶端面为近似六边形，边长为0～0.1μm。2.如权利要求1所述的锥形氧化锌纳米激光器，其特征在于，只在380～395nm出现对应半导体本征带隙的自发辐射。3.一种锥形氧化锌紫外纳米激光器的制备方法，有衬底制作过程和ZnO纳米锥制备过程；所述的衬底制作过程，是在沿C面切割的蓝宝石上溅射一层GaN薄膜作为衬底；所述的ZnO纳米锥制备过程，是将Zn粉和衬底放入石英舟内置于管式炉中间，衬底位于Zn粉下游处；将石英舟抽真空到6×10-3Pa后保持30min，再以流速为1120SCCM充...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍永军，黄亚东，杨柳，刘唱，刘钧松，朱品文，崔田，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22