CN101311358B - 飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置，属于微纳米材料制备和飞秒激光微加工技术领域，与氧化锌材料的周期性纳米微结构有关，特别是一种利用飞秒激光辐射场在氧化锌靶材上制备周期性纳米线阵列的方法。氧化锌纳米线阵列制备时先将氧化锌靶材固定在二维精密位移台上，然后将一束光飞秒激光经透镜聚焦，并使之作用于氧化锌靶材上，通过飞秒诱导和二维精密位移台配合扫描，产生氧化锌周期性纳米线阵列。本发明具有制备效率高，适用范围广，处理得到的氧化锌纳米线阵列排列整齐、均匀。

Description

飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置

技术领域

本发明属于微纳米材料制备和飞秒激光微加工技术领域，特别涉及飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置。

背景技术

ZnO是一种性能优异的宽禁带半导体材料，在紫外发光、紫外探测、压电、光电子及催化等领域有着十分广泛的应用。而当ZnO尺寸为纳米级时，会表现出更为独特的光活性、电活性、烧结活性和催化活性，因此ZnO纳米棒、纳米线等纳米结构在光电、传导、传感以及生化等许多领域有新的重要应用。目前，常规的ZnO纳米材料的制备方法包括真空冷凝法、沉淀法、溶胶凝胶法、脉冲电子沉积法、电弧蒸发法、微乳液法及模板法等，然而均存在比较明显的不足之处，特别是制备性能优异的阵列式分布的ZnO纳米线方面，同时这些制备方法还存在成本高、工艺复杂、产量低等缺点，难以满足今后ZnO纳米材料与器件迅速发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服在先技术的不足，提供一种飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置，该方法具有工艺简单、原材料消耗和成本低、制备效率高、制备出的氧化锌纳米线阵列均匀性好等特点，装置可操控性强、适用范围广。

本发明的技术解决方案是：

将一束光飞秒激光经透镜聚焦辐照在氧化锌靶材上，产生周期性纳米线阵列，其具体步骤如下：

1)选用脉冲宽度为20-120fs、波长为325-1200nm的超短脉冲激光，经一个凸透镜聚焦；

2)选用基底为石英玻璃、普通玻璃或硅材料的氧化锌靶材；

3)通过控制超短脉冲激光单脉冲能量10uJ-5mJ、脉冲频率10Hz-100kHz和脉冲宽度20-120fs，使激光作用于氧化锌靶材上，从而在光束聚焦的微区内诱导出周期性纳米线阵列。

所说的氧化锌靶材为高纯度及掺杂的氧化锌材料。

所说的氧化锌靶材的厚度为5μm-2mm。

由激光加载系统和靶材装夹系统依次连接构成，激光加载系统由飞秒激光器和光开关、反射镜和凸透镜组成，由飞秒激光器输出的飞秒激光束经过光开关、反射镜和凸透镜聚焦到靶材装夹系统。

在光开关、反射镜之间依次设置倍频晶体、滤光片。

在飞秒激光器和光开关之间设置光学参量放大器。

所述的靶材装夹系统由氧化锌靶材、二维精密位移台和控制计算机组成。氧化锌靶材固定在二维精密位移台上，控制计算机与二维精密位移台相连。

本发明的优点在于：

(1)本发明利用飞秒激光脉冲直接诱导周期氧化锌纳米线阵列，具有制备工艺简单、原材料消耗和成本低、制备效率高、制备出的氧化锌纳米线阵列均匀性好等特点，装置可操控性强、适用范围广。

(2)本发明利用二维平移台均匀移动氧化锌材料，使飞秒激光焦点在其表面进行扫描，实现大面积的氧化锌纳米线阵列制备；

(3)本发明可诱导产生直径100-300nm，长度1-5um的氧化锌纳米线阵列，可以满足在光电、传导、传感以及生化等领域的需要。

附图说明

图1为本发明800nm飞秒激光在氧化锌靶材上制备周期性纳米线阵列的方法的示意图。

图2为本发明400nm飞秒激光在氧化锌靶材上制备周期性纳米线阵列的方法的示意图。

图3为本发明325nm飞秒激光在氧化锌靶材上制备周期性纳米线阵列的方法的示意图。

图4(a)为实施例1中飞秒激光诱导前用扫描电镜(5000x/20kV)观察到的氧化锌材料表面图.

图4(b)为实施例1中脉冲宽度为30fs的脉冲激光诱导氧化锌靶材制备的直径150nm，长度2um的氧化锌周期性纳米线阵列。

图片是用扫描电镜(5000x/20kV)观察到的结果。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，由飞秒激光器1发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过光开关2、反射镜3焦距为100mm的聚焦透镜4将光束聚焦在氧化锌靶材5上，氧化锌靶材固定在二维精密位移台上，氧化锌靶材的运动由计算机控制二维精密位移台完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为100um。这样在激光辐照区逐步形成了周期纳米结构。

参照图2所示，由飞秒激光器1发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过光开关2、倍频晶体8后转换为脉冲宽度为50fs，波长为400nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为300uJ的400nm的飞秒激光，再通过滤光片9、反射镜3焦距为100mm的聚焦透镜4将400nm飞秒激光光束聚焦在氧化锌靶材5上，氧化锌靶材固定在二维精密位移台上，氧化锌靶材的运动由计算机控制二维精密位移台完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为100um，在激光辐照区逐步形成了氧化锌周期纳米结构。

参照图3所示，由飞秒激光器1发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过光学参量放大器10后转换为脉冲宽度为30fs，波长为325nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为100uJ的325nm的飞秒激光，再通过光开关2、反射镜3焦距为100mm的聚焦透镜4将光束聚焦在氧化锌靶材5上，氧化锌靶材5固定在二维精密位移台上，氧化锌靶材的运动由计算机控制二维精密位移台完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为100um。这样在激光辐照区逐步形成了周期纳米结构。

图4(a)给出了实施例1中飞秒激光诱导前用扫描电镜(5000x/20kV)观察到的氧化锌材料表面结构。图4(b)给出了实施例1中脉冲宽度为30fs的脉冲激光诱导氧化锌靶材制备的直径150nm，长度2um的氧化锌周期性纳米线阵列。图片是用扫描电镜(5000x/20kV)观察到的结果。

实施例1：

先钛宝石飞秒激光器发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过焦距为100mm的聚焦透镜将光束聚焦在基底为石英玻璃的氧化锌靶材上，样品由计算机操纵的二维移动平台控制，聚焦光斑直径约为100um。这样在激光辐照区逐步形成了周期纳米结构。用扫描电镜(5000x/20kV)聚焦到玻璃样品中的激光诱导区，观察到氧化锌纳米线如图3所示，直径150nm，长度2um的氧化锌纳米线阵列。基底为石英玻璃、普通玻璃或硅材料的氧化锌靶材。

实施例2：

选用脉冲宽度为50fs，波长为400nm，脉冲频率为1kHz，能量为200uJ的激光，通过焦距为100mm聚焦透镜将光束聚焦在基底为普通玻璃的氧化锌靶材上，样品由计算机操纵的二维移动平台控制，聚焦光斑直径约为100um。这样在激光诱导区形成了周期纳米结构。

实施例3：

选用脉冲宽度为40fs，波长为325nm，脉冲频率为1kHz，能量为100uJ的激光，通过焦距为100mm聚焦透镜将光束聚焦在基底为硅材料的氧化锌靶材上，样品由计算机操纵的二维移动平台控制，聚焦光斑直径约为100um。这样在激光诱导区形成了周期纳米结构。

实施例4：

选用脉冲宽度为120fs，波长为532nm，脉冲频率为10kHz，能量为200uJ的激光，通过焦距为100mm聚焦透镜将光束聚焦在基底为石英玻璃的氧化锌靶材上，样品由计算机操纵的二维移动平台控制，聚焦光斑直径约为100um。这样在激光诱导区形成了周期纳米结构。

Claims (6)

1.一种飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法，其特征在于，将一束光飞秒激光经透镜聚焦辐照氧化锌靶材上，产生周期性纳米线阵列，其具体步骤如下：

1)选用脉冲宽度为20-120fs、波长为325-1200nm的超短脉冲激光，经一个凸透镜聚焦；

2)选用基底为石英玻璃、普通玻璃或硅材料的氧化锌靶材；

3)通过控制超短脉冲激光单脉冲能量10uJ-5mJ、脉冲频率10Hz-100kHz和脉冲宽度20-120fs，使激光作用于氧化锌靶材上，从而在光束聚焦的微区内诱导出周期性纳米线阵列。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光在氧化锌体材料上制备周期性纳米线阵列的方法，其特征在于，所说的氧化锌靶材的厚度为5μm-2mm。

3.实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，由激光加载系统和靶材装夹系统依次连接构成，激光加载系统由飞秒激光器(1)和光开关(2)、反射镜(3)和凸透镜(4)组成，由飞秒激光器(1)输出的飞秒激光束经过光开关(2)、反射镜(3)和凸透镜(4)聚焦到靶材装夹系统。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在光开关(2)、反射镜(3)之间依次设置倍频晶体(8)、滤光片(9)。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在飞秒激光器(1)和光开关(2)之间设置光学参量放大器(10)。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的靶材装夹系统由氧化锌靶材(5)、二维精密位移台(6)和控制计算机(7)组成，氧化锌靶材(5)固定在二维精密位移台(6)上，控制计算机(7)与二维精密位移台(6)相连。

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