CN103311803B - 石墨烯增强氧化锌紫外激光微腔及其制备方法 - Google Patents

Abstract

石墨烯增强氧化锌紫外激光微腔及其制备方法，结构为化学气相沉积（CVD）方法制备的单根ZnO微米棒表面覆盖有CVD方法或机械剥离法制备的单层石墨烯。将利用CVD方法或机械剥离法制备的单层石墨烯转移覆盖至CVD方法制备的单根ZnO微米棒表面，形成石墨烯/ZnO微米棒复合结构微腔。本发明利用边界光滑的单根ZnO微米棒形成天然的回音壁模激光微腔，光学损耗小，更利于微激光的形成。利用CVD方法或机械剥离法制备的单层石墨烯覆盖至ZnO微米棒表面，形成石墨烯/ZnO微米棒复合结构微腔。通过石墨烯表面等离激元共振(SPR)能量传递，能有效降低激射阈值，提高微激光器品质因子，增强其紫外激光强度。

Description

石墨烯增强氧化锌紫外激光微腔及其制备方法

技术领域

本发明属于氧化锌微激光器件制备技术领域，尤其涉及一种石墨烯增强氧化锌紫外激光复合结构微腔的制备方法。

背景技术

氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带半导体材料，其禁带宽度为3.37eV、室温下激子束缚能高达60meV，这一重要特性使其成为短波光电功能材料与器件的重要候选者，也在低阈值、高品质因子的紫外激光器实现上体现出显著的优势。过去的十多年，人们对ZnO半导体的紫外光电特性，尤其是激光特性给予了极大的关注。Science,Phys.Rev.Lett.,Adv.Mater.,NanoLett.等各类综合性与专业性顶尖刊物均对此作了大量报道。目前，ZnO紫外激光的产生可归于三类振荡方式：一是基于颗粒界面散射，随机形成正反馈而得到的随机激光；二是基于微米棒等结构的两平行端面反射形成法布里-珀罗(F-P)激光；三是基于微腔内壁全反射形成的回音壁模(WGM)激光。ZnO微纳米棒、碟等单晶结构单元具有良好的光学品质和较高的折射率，这保证了内壁全反射光学增益回路的有效形成，能大大降低光学散射与透射所带来的光损耗。目前，已有很多相关报道揭示了ZnOWGM激光的优良品质和相应的物理过程。研究如何提高ZnOWGM激光性能，是一个科学和技术上的难题。不少研究表明，将ZnO薄膜、纳米结构等与金属纳米粒子或适当的金属薄膜相结合，通过表面等离激元共振(SPR)效应，可大大增强ZnO本征的紫外发光，这为提高ZnO微腔的光学增益提供了物理基础。另一方面，近年来人们对石墨烯(graphene)的研究，揭示了其透明、导电、高电子迁移率等一系列优良的光电特性，且通过简单操作即可实现在不同衬底之间的转移。近几年，Science曾报道了一个很有学术意义和值得利用的物理现象，即graphene在紫外区的吸收增强。此后，Phys.Rev.Lett.、NanoLett.等又进一步报道了相应的理论研究与功能拓展。利用这一紫外吸收增强效应，人们进一步观察到了graphene衬底上ZnO薄膜的紫外发光增强，并发现其根源在于graphene的电子振荡波与ZnO本征发光形成的共振耦合。Graphene的这种表面等离激元效应为提高光学微腔的增益、设计性能优良的激光器件提供了有利的材料科学基础和便利的技术加工条件。综上所述，在ZnO微纳米结构中融入graphene这一新材料，利用其优良的光电特性及表面等离激元共振(SPR)这一新的物理效应，探索新的复合异质结构材料体系的光电特性，将为设计和优化WGM激光器件及新材料、新器件的设计和制作提供重要的技术支持，也将对其中新的物理过程提供深刻的科学认识。

发明内容

解决的技术问题：本发明提出了一种石墨烯增强氧化锌紫外激光微腔及其制备方法，通过选择不同直径的ZnO微米棒可以调控激光的输出波长。

技术方案：石墨烯增强氧化锌紫外激光微腔，结构为CVD方法制备的单根ZnO微米棒表面覆盖有CVD方法或机械剥离法制备的单层石墨烯。

石墨烯增强氧化锌紫外激光微腔的制备方法，该制备方法为：

第一步：将纯度均为99.99%的ZnO粉末和碳粉末按照质量比1:1混合研磨，取1.0克该混合物置于石英舟内，将3.0cm×3.5cm的硅片依次经丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，用氮气吹干，将抛光面朝下覆盖于石英舟上方；随后将石英舟置于两端开口的石英管内，共同推入温度为1150℃的水平管式炉中；经过50分钟反应，ZnO微米棒阵列生长于硅片表面，单根ZnO微米棒呈六方纤锌矿晶体结构，具有规则的正六边形截面;

第二步：从步骤一所得氧化锌微米棒阵列中挑选粗细均匀、晶莹透亮的单根ZnO微米棒，置于表面有300nm厚度二氧化硅氧化层的硅片衬底上，同时将微米棒固定;

第三步：将利用CVD方法或机械剥离法制备的单层石墨烯转移覆盖至ZnO微米棒表面，形成石墨烯/ZnO微米棒复合结构微腔。

有益效果：

1、本发明利用边界光滑的单根ZnO微米棒形成天然的回音壁模激光微腔，光学损耗小，更利于微激光的形成。

2、本发明利用CVD方法或机械剥离法制备的单层石墨烯覆盖ZnO微米棒表面，形成石墨烯/ZnO微米棒复合结构微腔。

3、本发明中通过石墨烯表面等离激元共振(SPR)能量传递，能有效降低激射阈值，提高微激光器品质因子，增强其紫外激光强度。

研究结果表明石墨烯对ZnO微米棒回音壁模激射行为产生了显著影响，具体表现为WGM激光品质因子(Q值)显著提高，激射阈值明显降低，在相同功率入射激光激发下，石墨烯包覆的ZnO微米棒激射峰的强度比包覆前增加了三至四倍（如附图7所示）。本研究为合成高性能光电器件提供了一种非常有益的方法。

附图说明

图1为单根氧化锌微米棒的光学显微镜照片；

图2为器件制作流程示意图，图中1为氧化锌微米棒，2为300nm二氧化硅/硅基底；

图3为单根氧化锌微米棒置于衬底上的结构示意图；

图4为最终形成的石墨烯/ZnO微米棒复合结构微腔的结构示意图；

图5为相应于图3的扫描电子显微镜(SEM)图；

图6为相应于图4的扫描电子显微镜(SEM)图；

图7(a)ZnO微米棒被单层石墨烯包覆前后相同位置在相同入射功率(0.40毫瓦)下激射谱的比较。(b)ZnO微米棒被石墨烯包覆前后相同部位激光发射峰的强度随入射功率变化关系图；

图8为光线在ZnO微米棒内部传播的示意图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1：

第一步：将纯度均为99.99%的ZnO粉末和碳粉末按照质量比1:1混合研磨，取1.0克该混合物置于石英舟内，将3.0cm×3.5cm的硅片依次经丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，用氮气吹干，将抛光面朝下覆盖于石英舟上方；随后将石英舟置于两端开口的石英管内，共同推入温度为1150℃的水平管式炉中；经过50分钟反应，ZnO微米棒阵列生长于硅片表面，单根ZnO微米棒呈六方纤锌矿晶体结构。

第二步：从步骤一所得氧化锌微米棒阵列中挑选粗细均匀、晶莹透亮的单根ZnO微米棒（如附图1所示），置于表面有300nm厚度二氧化硅氧化层的硅片衬底上，同时将微米棒固定（如附图5所示）。

第三步：将利用CVD方法或机械剥离法制备的单层石墨烯转移覆盖至ZnO微米棒表面，形成石墨烯/ZnO微米棒复合结构微腔（如附图6所示）。

研究结果表明石墨烯对ZnO微米棒回音壁模激射行为产生了显著影响，具体表现为WGM激光品质因子(Q值)显著提高，激射阈值明显降低，在相同功率入射激光激发下，石墨烯包覆的ZnO微米棒激射峰的强度比包覆前增加了三至四倍（如附图7所示）。

Claims (1)

1.石墨烯增强氧化锌的光泵浦紫外激光微腔的制备方法，其特征在于该制备方法为：

第一步：将纯度均为99.99%的ZnO粉末和碳粉末按照质量比1:1混合研磨，取1.0克该混合物置于石英舟内，将3.0cm×3.5cm的硅片依次经丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗，用氮气吹干，将抛光面朝下覆盖于石英舟上方；随后将石英舟置于两端开口的石英管内，共同推入温度为1150℃的水平管式炉中；经过50分钟反应，ZnO微米棒阵列生长于硅片表面，单根ZnO微米棒呈六方纤锌矿晶体结构，具有规则的正六边形截面;

第二步：从步骤一所得氧化锌微米棒阵列中挑选粗细均匀、晶莹透亮的单根ZnO微米棒，置于表面有300nm厚度二氧化硅氧化层的硅片衬底上，同时将微米棒固定;

第三步：将利用CVD方法或机械剥离法制备的单层石墨烯转移覆盖至ZnO微米棒表面，形成石墨烯/ZnO微米棒复合结构微腔。