CN102684068A - 一种基于纳米线阵列的可调谐激光器及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种基于纳米线阵列的可调谐激光器及其制备工艺。所研制的可调谐激光器由纳米线阵列构成，纳米线阵列中不同的纳米线的材料组分不同，任何单根纳米线都是相对独立的激光器。因为每根纳米线的组分不同，所以每根纳米线可以发出不同波长的光。基于此，通过控制不同的纳米线在不同时刻发光，从而实现波长可调谐激光器。
Description
技术领域
本专利涉及光学、集成光电子学、纳米材料、纳米加工、纳米器件以及仪器科学等多学科交叉的前沿研究领域，具体涉及一种基于纳米线阵列的可调谐激光器及其制备工艺。
背景技术
纳米线是直径在100nm以下而长度方向上没有限制的一维纳米结构，纳米线可作为制备光子器件的材料，也可作为光子传播的介质。虽然只有十几年的历史，纳米线已经成为很多领域广泛关注的焦点。作为一种新型材料，纳米线已经被广泛用于研制光电子器件，主要包括纳米线激光器、传感器、场效应管和探测器等。在纳米线光电子器件中，纳米线激光器的研究近年来已经有了较大突破。2001年，《Science》杂志报道了美国University of California，Berkeley杨培东研究组研制出的世界上最小的激光器--室温紫外辐射的纳米线激光器。这种激光器是在金（Au）层上形成直径为20-150nm、长度为10μm的纯氧化锌（ZnO）纳米线。这种激光器需要用钕钇铝石榴石（Nd：YAG）激光器的四次谐波作为激光泵浦源。2003年，《Nature》杂志报道了美国HarvardUniversity的Lieber研究组研制出的可自动调控开关的新型纳米线激光器，该激光器就采用了外电流激活方式。激光干涉测量系统的测量范围与激光器波长可调谐范围密切相关，但是实现波长大范围调谐的纳米线激光器非常困难，主要因为半导体微结构的晶格失配有限，导致材料成分不能大幅度调节。湖南大学邹炳锁领导的研究组与美国Arizona State University宁存政领导的研究组合作，采用一维纳米结构生长技术，消除了大部分晶格失配，将半导体激光器波长调谐范围扩大到200nm（可见光波长范围500-700nm），他们的研究成果在《Nano Letters》杂志发表。与原来调谐范围最长仅几十纳米相比实现了重大突破，但是激光器的单色性较差，这使得激光器的实用性受到限制。
发明内容
研制基于纳米线阵列的可调谐激光器，发明内容包括基于纳米线阵列的激光器的结构设计及其制备工艺。具体如下：
一种基于纳米线阵列的可调谐激光器及其制备工艺，包括金属薄膜电极、纳米线和绝缘基底；纳米线在绝缘基底上依次均匀排列，纳米线的两端均覆盖一个金属薄膜电极形成正负极，金属薄膜电极与绝缘基底接触；在金属薄膜电极上加电压，从而使纳米线两端产生激光。
进一步，先后沉积Ti和Au形成金属薄膜电极。
进一步，把不同组分的纳米线排列成为纳米线阵列，通过控制纳米线阵列中不同的纳米线在不同时刻发光，从而实现波长可调谐激光器。
进一步，可调谐激光器长度尺寸在微米级，直径在纳米级。
一种纳米线阵列激光器的制备工艺，包括如下步骤：
1)制备不同组分的纳米线；
2)使用超细光纤探针进行搜集，在配有激发光源和光纤探针的扫描探针显微镜上把不同组分的纳米线排列在同一基底上，形成组分不同的纳米线阵列；
3)在纳米线阵列表面旋涂合适厚度的PMMA电子束光刻胶并进行前烘；
4)进行电子束对准光刻，并进行显影、定影和后烘；
5)采用热蒸发工艺在PMMA电子束光刻胶表面和纳米线的两端沉积Ti和Au，并去除剩余的PMMA胶，最后进行退火处理。
进一步，制备纳米线的过程为：采用溅射工艺在p型Si基底上制备Au薄膜，进行退火处理使得Au晶粒的取向一致，从而使生长出的纳米线阵列的取向一致，接着将退火处理过的基底放入事先配制好的溶液中；将Au薄膜水平向下浸入配置好的溶液，通过水浴生长得到不同形貌的纳米线。
进一步，Au薄膜厚度和水浴生长时间不同，导致生成不同形貌的纳米线。
进一步，溶液配制过程如下：取摩尔比为1∶1的Zn(NO3)2.6H2O和六亚甲基四（HMTA），配制摩尔浓度为5mMol/L的无色澄明水溶液。
本发明的有益效果是：
所研制的可调谐激光器由纳米线阵列构成，纳米线阵列中不同的纳米线的材料组分不同，任何单根纳米线都是相对独立的激光器。因为每根纳米线的组分不同，所以每根纳米线可以发出不同波长的光。基于此，通过控制不同的纳米线在不同时刻发光，从而实现波长可调谐激光器。
附图说明
图1(a)为基于纳米线阵列的可调谐激光器的结构图。
图1(b)为基于纳米线阵列的可调谐激光器的结构俯视图。
图2为基于纳米线阵列的可调谐激光器的制备工艺流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，1是金属薄膜电极，宽度为300nm，厚度为190nm，采用热蒸发工艺，先沉积40nm厚的Ti，然后沉积150nm厚的Au；2是纳米线，长度从几到几十个微米，直径在100nm左右，通过微操作设备把能够发出不同波长光的纳米线排列在基底上，间距为2μm；3是绝缘基底，要求表面粗糙度不大于1nm。
如图2所示，首先将纳米线排列在绝缘基底上；然后旋涂合适厚度的PMMA电子束光刻胶并进行前烘；接着进行电子束对准光刻，并进行显影、定影和后烘；最后采用热蒸发工艺沉积40nm的Ti和150nm的Au，并去除剩余的PMMA胶，以上工艺完成后进行退火处理。
纳米线的制备：采用溅射工艺在p型Si基底上制备50nm厚的Au薄膜，然后在200℃下进行退火处理使得Au晶粒的取向一致，从而使得生长出的纳米线阵列的取向一致，接着将退火处理过的基底放入事先配制好的溶液中去。溶液配制过程如下：使用电子天平秤取摩尔比为1∶1的Zn(NO3)2.6H2O和六亚甲基四（HMTA），配制摩尔浓度为5m Mol/L的无色澄明水溶液。将基底Au面水平向下浸入配置好的溶液，在水浴锅中，95℃水浴分别生长5h、10h、16h，得到不同形貌的纳米线。
纳米线阵列的制备：采用以上方法制备不同组分，如ZnO、Zn2O2纳米线，使用超细光纤探针进行搜集，在配有激发光源和光纤探针的扫描探针显微镜（SPM）上把不同组分的纳米线排列在基底上，形成组分不同的纳米线阵列。
纳米线阵列的性能测试及可调谐激光器的制备：测试ZnO纳米线阵列的PL（Photoluminescence）谱，然后制备电极测量其EL（Electroluminescence）谱。采用光学薄膜的PL光谱测量方法测量ZnO纳米线阵列的PL光谱，为了实现电致发光，首先在基底上制备金属电极，然后在两电极间通入MHz的高频电场，由于纳米线在电场中被极化，利用异种电荷相互吸引的原理，将纳米线和金属电极进行装配。采用FIB/SEM（聚焦离子束/扫描电子显微镜）双束系统上的PTP（Push to Pull）模块选择性提取单根ZnO纳米线，并在纳米线上制备出电极。另外使用电子束曝光（EBL）图案化工艺进行电极制备，主要原理是采用PMMA胶进行光刻，PMMA是常用的EBL正胶，但是在大电子剂量下，PMMA分子发生交叉连接（cross-link）变成难溶物质，呈现负胶的特性。这样便能够使用EBL上自带的SEM进行随机分散纳米线的选择和定位，同时采用超大电子剂量进行曝光，从而在单根纳米线上制备出各种图案，再结合薄膜工艺，制备出所需要的电极，从而实现纳米线阵列的电致发光。
Claims (8)
1.一种基于纳米线阵列的可调谐激光器，其特征在于：包括金属薄膜电极(1)、纳米线(2)和绝缘基底(3)；纳米线(2)在绝缘基底(3)上依次均匀排列，纳米线(2)的两端均覆盖金属薄膜电极(1)形成正负极，金属薄膜电极(1)与绝缘基底(3)接触；在金属薄膜电极上加电压，从而使纳米线两端产生激光。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：先后沉积钛（Ti）和金（Au）形成金属薄膜电极(1)。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：把不同组分的纳米线排列成为纳米线阵列，通过控制纳米线阵列中不同的纳米线在不同时刻发光，从而实现波长可调谐激光器。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：可调谐激光器长度尺寸在微米级，直径在纳米级。
5.一种纳米线阵列激光器的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备不同组分的纳米线；
2)使用超细光纤探针进行搜集，在配有激发光源和光纤探针的扫描探针显微镜上把不同组分的纳米线排列在同一基底上，形成组分不同的纳米线阵列；
3)在纳米线阵列表面旋涂合适厚度的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）电子束光刻胶并进行前烘；
4)进行电子束对准光刻，并进行显影、定影和后烘；
5)采用热蒸发工艺在PMMA电子束光刻胶表面以及纳米线的两端沉积Ti和Au，并去除剩余的PMMA胶，最后进行退火处理。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，制备纳米线的过程为：采用溅射工艺在p型Si基底上制备Au薄膜，进行退火处理使得Au晶粒的取向一致，从而使生长出的纳米线阵列的取向一致，接着将退火处理过的基底放入事先配制好的溶液中；将Au薄膜水平向下浸入配置好的溶液，通过水浴生长得到不同形貌的纳米线。
7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述Au薄膜的厚度、水浴生长时间的不同，导致生成出不同形貌的纳米线。
8.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，溶液配制过程如下：取摩尔比为1∶1的Zn(NO3)2.6H2O和六亚甲基四（HMTA），配制摩尔浓度为5mMol/L的无色澄明水溶液。
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