本发明专利技术公开了一种栅状电极增强表面等离激元激光器，该激光器包括表面等离激元衬底、多量子阱纳米线和栅状电极。本发明专利技术利用栅状电极对纳米结构实施电磁场刺激，同时利用等离激元可与增益介质中的激子形成共振耦合从而实现增益介质中光子的受激辐射，成功获得了增强型表面等离激元纳米激光器，核心在于通过采用栅状电极对纳米光腔中的载流子实施电磁场刺激，从而增强纳米光腔中的光产生高效率的激发，降低了表面等离激元激光器的阈值，实现了室温下0.8W/cm2低阈值激射，提高激光器的品质因子Q值。本发明专利技术特色在于栅状电极与纳米光腔无接触，在实施电磁场加载的同时有效避免了漏电问题，在一个维度上可突破光学衍射极限的限制。制。制。
【技术实现步骤摘要】
栅状电极增强表面等离激元激光器及其制备方法
[0001]本专利技术涉及一种栅状电极增强表面等离激元激光器结构及其制备方法，属于激光
技术介绍
[0002]激光器自问世以来，在工业、医疗、军事等领域有着重要的应用。近年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用
，
[0003]比如光电技术，激光医疗与光子生物学。但上述激光器在尺寸上无法突破光学衍射极限的限制，在实现超小尺寸、超低阈值等方面还需要进一步探索。2003年,Bergman和Stockman首次提出了在亚波长尺度下等离激元放大受激辐射的基本构想，2009年张翔教授课题组用杂化等离激元波导结构实现了室温下等离激元纳米激光器的激射,其阈值为76.25MW/cm2，受到了学术界的广泛关注。此后，不同类型的等离激元激光器以及采用不同材料的等离激元激射相继被报道。2012年，美国德克萨斯大学提出使用InGaN/GaN核壳结构的纳米线作为增益材料，实现了连续光泵浦的表面等离激元激光器。本课题组也一直致力于等离激元激光器的研究，2017年本课题组通过将InGaN/GaN纳米线放置在金属银表面实现了等离激元激光器室温下的低阈值激射，阈值为1.5kW/cm2。2020年继续对等离激元激光器的耦合距离进行优化，可进一步降低激光器的阈值到4W/cm2。优化等离激元激光器结构，提高等离激元激光器的性能，对实现超小尺寸超低阈值激光器激射有重要的意义，可应用于生物传感、超分辨显示、光通信等领域。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于提供一种栅状电极增强表面等离激元激光器，实现了室温下0.8W/cm2低阈值激射。
[0005]本专利技术采用的技术方案为：一种栅状电极增强表面等离激元激光器结构，其结构自上而下依次包括：
[0006]一衬底；
[0007]一生长在衬底上的第一绝缘介质层；
[0008]一生长在第一绝缘介质层上的金属薄膜层；
[0009]一生长在金属薄膜层上的第二绝缘介质层；
[0010]一设置在第二绝缘介质层上的栅状电极增强层；
[0011]还包括多量子阱纳米线，作为增益介质散布在第二绝缘介质层表面，并且处于栅状电极之间。
[0012]优选的，栅状电极增强层包括多个平行分布的条形金镍合金电极，条形金镍合金电极的厚度为50
‑
400nm，条形金镍合金电极的宽度为1
‑
3μm，相邻条形金镍合金电极之间的间隔稍大于多量子阱纳米线的长度，使其可以容纳下多量子阱纳米线。
[0013]优选的，所述的金属薄膜层的材料为金、银、铝中的任意一种。
[0014]优选的，所述的栅状电极的材料为金镍合金。
[0015]优选的，所述金属薄膜层的厚度为5
‑
200nm。
[0016]优选的，第一绝缘介质层和第二绝缘介质层的材料为二氧化硅、碳化硅、二氟化镁、三氧化二铝或氟化锂。
[0017]优选的，所述第一绝缘介质层的厚度为100
‑
300nm，所述第二绝缘介质层的厚度为5
‑
200nm。
[0018]优选的，所述多量子阱纳米线材料为InGaN/GaN或AlGaN/GaN或钙钛矿CsPbBr3/CsPbI3，纳米线长度为1.5
‑
3μm，直径为100
‑
400nm。
[0019]优选的，所述衬底材料为硅、蓝宝石、LED多量子阱外延片中的任意一种。
[0020]本专利技术还公开了上述的栅状电极增强表面等离激元激光器的制备方法，其步骤包括：
[0021]1)利用PECVD或EB方法在衬底上蒸镀一层绝缘层作为第一绝缘介质层；
[0022]2)在第一绝缘介质层表面沉积金属薄膜层；
[0023]3)通过PECVD或EBE方法在金属薄膜层表面蒸镀第二绝缘层；
[0024]4)在第二绝缘层表面旋涂一层光刻胶层，并对其进行前烘，利用紫外光刻技术将光刻版上有序的栅状电极阵列图形转到到光刻胶层上并进行后烘和泛爆，然后显影；
[0025]5)采用RIE技术，通入O2去除经显影去除了大部分光刻胶的区域的少量光刻胶残余层，然后利用常规工艺蒸镀一层金属掩膜，再进行剥离，去除光刻胶层及光刻胶层上的金属掩膜，得到栅状电极结构。金属层常用工艺有热蒸发，电子束蒸发，磁控溅射等多种方法。属于常规半导体工艺。
[0026]6)制备多量子阱纳米线，将纳米线分布在酒精溶液中，将分布有纳米线的酒精溶液滴在步骤5)制得的器件表面，待酒精溶液蒸后，纳米线随机散布在器件表面。
[0027]优选的，在所述栅状电极增强表面等离激元激光器上实施电磁场刺激的方法，所述相邻栅状电极上分别加载正弦/三角/方波信号，加载的电压为10
‑
50V，加载的频率为20kHz至20MHz。
[0028]本专利技术的核心在于设计了栅状电极结构对纳米光腔实施电磁场刺激，采用栅状电极结构的目的是在多量子阱纳米线两侧构建均匀的电磁场分布，同时利用等离激元可与增益介质中的激子形成共振耦合从而实现增益介质中光子的受激辐射，成功获得了增强型表面等离激元纳米激光器，为了达到该目的，在工艺上考虑该层采用平行条形周期性金镍合金电极结构，能够有效的对空间电磁场分布进行调控，有较大机率在纳米光腔有源区内得到均匀的电磁场分布，使得落入到两个金镍合金电极之间的多量子阱纳米线能够均匀收到电磁场刺激。其他结构，例如交叉的条形结构、周期性纳米柱结构也可实现在多量子阱纳米线两侧均存在金镍合金电极的目的，但效率明显低于平行条形周期性结构。栅状电极结构在光腔左右各有一个金镍合金电极，通过电磁场的刺激，有效降低了表面等离激元激光器的阈值，实现了室温下0.8W/cm2低阈值激射，提高激光器的品质因子Q值。本专利技术特色在于栅状电极与纳米光腔无接触，在实施电磁场加载的同时有效避免了漏电问题，制备的表面等离激元激光器的物理尺寸可突破光学衍射极限的限制，具有超小尺寸、超低阈值、品质因子高、室温工作、制备工艺简单等优点，为实现激光器在可见光通信、生物传感、超分辨成像等应用提供了可能。
附图说明
[0029]图1为本专利技术中的栅状电极增强表面等离激元激光器制备方法步骤(1)所得的结构示意图。
[0030]图2为本专利技术中的栅状电极增强表面等离激元激光器制备方法步骤(2)所得的结构示意图。
[0031]图3为本专利技术中的栅状电极增强表面等离激元激光器制备方法步骤(3)所得的结构示意图。
[0032]图4
‑
5为本专利技术中的栅状电极增强表面等离激元激光器制备方法步骤(4)所得的结构示意图。
[0033]图6为本专利技术中的栅状电极增强表面等离激元激光器制备方法步骤(5)所得的结构示意图。
[0034]图7
‑
8为本专利技术中的栅状电极增强表面等离激元激光器制备方法步骤(6)所得的结构示意图。
[0035]图9为本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种栅状电极增强表面等离激元激光器，其结构自上而下依次包括：一衬底；一生长在衬底上的第一绝缘介质层；一生长在第一绝缘介质层上的金属薄膜层；一生长在金属薄膜层上的第二绝缘介质层；一设置在第二绝缘介质层上的栅状电极增强层；还包括多量子阱纳米线，作为增益介质散布在第二绝缘介质层表面，并且处于栅状电极之间。2.根据权利要求1所述的栅状电极增强表面等离激元激光器，其特征在于：栅状电极增强层包括多个平行分布的条形金镍合金电极，条形金镍合金电极的厚度为50
‑
400nm，条形金镍合金电极的宽度为1
‑
3μm，相邻条形金镍合金电极之间的间隔为稍大于多量子阱纳米线的长度，使其可以容纳下多量子阱纳米线。3.根据权利要求1或2所述的栅状电极增强表面等离激元激光器，其特征在于：所述的金属薄膜层为金、银、铝其中的任意一种，所述的栅状电极增强结构层的材料为金镍合金。4.根据权利要求3所述的栅状电极增强表面等离激元激光器，其特征在于：所述金属薄膜层的厚度为5
‑
200nm。5.根据权利要求3所述的栅状电极增强表面等离激元激光器，其特征在于：第一绝缘介质层和第二绝缘介质层的材料为二氧化硅、碳化硅、二氟化镁、三氧化二铝或氟化锂。6.根据权利要求3所述的栅状电极增强表面等离激元激光器，其特征在于：所述第一绝缘介质层的厚度为100
‑
300nm，所述第二绝缘介质层的厚度为5
‑
200nm。7....
【专利技术属性】
技术研发人员：陶涛，苗涛，蒋迪，智婷，刘斌，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。