CN109346925A - 内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及其制备方法，该垂直腔面发射激光器包括依次向上设置的石英基板、下高反镜、内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层和上高反镜。本发明利用低毒的最低量子态2重简并的硫化银量子点替代最低量子态8重简并的铅盐量子点以实现低阈值的近红外光增益，通过在硫化银量子点表面包覆锌元素含量从内到外逐渐增加的硫化银锌合金壳，来构建平缓的界面势垒和钝化硫化银量子点的表面，能够进一步降低光增益阈值。将内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅薄膜“夹”在两片高反镜之间，最终能够获得低阈值、高品质因子和环境友好的垂直腔面发射近红外量子点激光器。

Description

内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及 其制备方法
技术领域
本发明涉及一种内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及其制备方法，属于半导体光电子器件的技术领域。
背景技术
近红外激光器可广泛应用于光通信、遥感和相干等离子体产生等领域。受益于量子限域效应，半导体量子点作为光增益材料展现出了多种优越的性能，例如发射波长随尺寸可调、潜在的低激光阈值和温度不敏感的激光性能。目前，利用分子束外延法制备的近红外量子点激光器已经开始商业应用。相比于外延生长的量子点，胶体量子点具有更小的尺寸和更均一的尺寸分布，因而具有更强的量子限域效应和更窄的发射峰。最常见的近红外发射胶体量子点是铅盐(如硫化铅、硒化铅和碲化铅)量子点。它们为岩盐型结构，在布里渊区的L点有4个等效的能带最小值。考虑2重自旋简并，铅盐量子点的最低量子态是8重简并的，平均每个量子点内的激子数要超过4才能实现粒子数反转。这使铅盐量子点的光增益阈值极高，很难实现光增益。目前，迫切需要寻找到一种新型的胶体量子点来实现低阈值的近红外光增益。
近年来，低毒的最低量子态2重简并的硫化银量子点由于在第二近红外窗口具有优异的荧光性质而引起强烈的关注。目前关于硫化银量子点的研究大多聚焦在制备方法以及体内成像，其在激光领域的潜在应用尚未有报道。
仅用硫化银量子点代替铅盐量子点还不能获得最理想的近红外光增益。在胶体量子点中俄歇复合非常高效，这使胶体量子点的光增益阈值高于外延生长的量子点，阻碍了胶体量子点激光器的发展。
垂直腔面发射激光器具有集成度高、易与光纤耦合和制备过程中可实时检测等优点。然而胶体量子点与平面腔的耦合一直没能很好地实现。目前，最常用的做法是在下高反镜上旋涂内含量子点的有机聚合物薄膜，然后在聚合物薄膜上沉积上高反镜构成法布里-珀罗腔。由于有机聚合物与无机上高反镜材料的膨胀系数相差较大，很难获得高品质因子的谐振腔。
发明内容
本发明的目的是提供一种内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器及其制备方法，以获得低阈值、高品质因子和环境友好的垂直腔面发射近红外量子点激光器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，包括依次向上设置的石英基板、下高反镜、内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层和上高反镜。
所述内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层由二氧化硅膜和嵌入该二氧化硅膜中的硫化银/硫化银锌核壳量子点组成。
所述硫化银/硫化银锌核壳量子点在二氧化硅膜中均匀分布。
所述硫化银/硫化银锌核壳量子点由硫化银量子点以及包覆在该硫化银量子点表面的硫化银锌合金壳组成。
所述硫化银锌合金壳的锌元素含量从内到外逐渐增加。
所述硫化银/硫化银锌核壳量子点作为光增益介质。
所述下高反镜为分布式布拉格反射镜，由7个二氧化钛层和6个二氧化硅层交替叠加构成，二氧化钛层和二氧化硅层的光学厚度均为下高反镜的反射中心波长的1/4。
所述下高反镜的反射率大于99.5％
所述上高反镜为分布式布拉格反射镜，由6个二氧化钛层和5个二氧化硅层交替叠加构成，二氧化钛层和二氧化硅层的光学厚度均为上高反镜的反射中心波长的1/4。
所述上高反镜的反射率小于99％。
一种内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)利用高温热分解法制备硫化银量子点；
(2)利用连续离子层吸附反应法，通过逐渐减小银离子前躯体的注入速度同时增加锌离子前躯体的注入速度，在硫化银量子点表面包覆锌元素含量从内到外逐渐增加的硫化银锌合金壳，获得硫化银/硫化银锌核壳量子点；
(3)利用电子束热蒸发法在石英基板上交替沉积7个二氧化钛层和6个二氧化硅层来获得下高反镜；
(4)将步骤(2)得到的硫化银/硫化银锌核壳量子点分散于甲苯中，再将硫化银/硫化银锌核壳量子点的甲苯分散液与全氢聚硅氮烷混合，然后旋涂到下高反镜上来获得内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层；
(5)利用射频磁控溅射法在内含量子点的二氧化硅层上交替沉积6个二氧化钛层和5个二氧化硅层来获得上高反镜。
有益效果：硫化银量子点为单斜晶相，最低量子态只有2重自旋简并，能够实现低阈值的近红外光增益。研究表明核和壳材料间平缓的界面势垒能够使俄歇速率减小3个数量级以上,减少界面缺陷也能显著抑制俄歇复合。因此，若在硫化银量子点表面包覆锌元素含量从内到外逐渐增加的硫化银锌合金壳，来构建平缓的界面势垒和钝化硫化银量子点的表面，能够抑制俄歇复合进一步降低光增益阈值。
无机二氧化硅与无机上高反镜材料的膨胀系数相同或接近，二者能够很好的兼容。全氢聚硅氮烷是一种新型的涂层材料，在大气氛围中能够在室温下转化为无机二氧化硅。旋涂量子点与全氢聚硅氮烷的混合液能够获得高质量的内含量子点的二氧化硅薄膜，为制备高品质因子的垂直腔面发射量子点激光器提供了条件。
本发明利用低毒的最低量子态2重简并的硫化银量子点替代最低量子态8重简并的铅盐量子点以实现低阈值的近红外光增益，通过在硫化银量子点表面包覆锌元素含量从内到外逐渐增加的硫化银锌合金壳，来构建平缓的界面势垒和钝化硫化银量子点的表面，能够进一步降低光增益阈值。无机二氧化硅与无机上高反镜材料的膨胀系数相同或接近，二者能够很好的兼容。将内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅薄膜“夹”在两片高反镜之间，最终能够获得低阈值、高品质因子和环境友好的垂直腔面发射近红外量子点激光器。
附图说明
图1是硫化银/硫化银锌核壳量子点的结构示意图；
图2是内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的结构示意图。
图中：1-硫化银量子点，2-硫化银锌合金壳，3-石英基板，4-二氧化钛层，5-二氧化硅层，6-内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图2所示，本发明的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，包括依次向上设置的石英基板3、下高反镜、内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层6和上高反镜。
内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层6由二氧化硅膜和嵌入该二氧化硅膜中的硫化银/硫化银锌核壳量子点组成。硫化银/硫化银锌核壳量子点在二氧化硅膜中均匀分布。如图1所示，硫化银/硫化银锌核壳量子点由硫化银量子点1以及包覆在该硫化银量子点1表面的硫化银锌合金壳2组成。硫化银锌合金壳2的锌元素含量从内到外逐渐增加。硫化银/硫化银锌核壳量子点是光增益介质，低毒的最低量子态只有2重自旋简并的硫化银量子点1，能够实现低阈值的近红外光增益，通过在硫化银量子点1表面包覆锌元素含量从内到外逐渐增加的硫化银锌合金壳2，来构建平缓的界面势垒和钝化硫化银量子点1的表面，能够进一步降低光增益阈值。无机二氧化硅与无机上高反镜材料的膨胀系数相同或接近，将硫化银/硫化银锌核壳量子点嵌入二氧化硅中是为了获得高品质因子的内含量子点的垂直腔面发射激光器。光场在内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层6的上下面间振荡和放大。
下高反镜为分布式布拉格反射镜，由7个二氧化钛层4和6个二氧化硅层5交替叠加构成，二氧化钛层4和二氧化硅层5的光学厚度均为下高反镜的反射中心波长的1/4。下高反镜的反射率大于99.5％，为谐振腔提供尽量高的反射。
上高反镜为分布式布拉格反射镜，由6个二氧化钛层4和5个二氧化硅层5交替叠加构成，二氧化钛层4和二氧化硅层5的光学厚度均为上高反镜的反射中心波长的1/4。上高反镜的反射率小于99％，为谐振腔提供部分反射，另一部分光垂直该高反镜出射。
本发明的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用高温热分解法制备近红外发射的硫化银量子点；
(2)利用连续离子层吸附反应法，通过在2小时的反应过程中将浓度为0.1毫摩尔/毫升的银离子前躯体的注入速度从5毫升/小时逐渐减小到0.5毫升/小时，同时将浓度为0.1毫摩尔/毫升的锌离子前躯体的注入速度从0.5毫升/小时逐渐增加到5毫升/小时，在2微摩尔的硫化银量子点表面包覆锌元素含量从内到外逐渐增加的硫化银锌合金壳，获得硫化银/硫化银锌核壳量子点；
(3)利用电子束热蒸发法在石英基板上交替沉积7个二氧化钛层和6个二氧化硅层来获得下高反镜；
(4)按1：5的质量比将步骤(2)得到的硫化银/硫化银锌核壳量子点分散于甲苯中，再按1：1的质量比将硫化银/硫化银锌核壳量子点的甲苯分散液与全氢聚硅氮烷混合，然后旋涂到下高反镜上来获得内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层；
(5)利用射频磁控溅射法在内含量子点的二氧化硅层上交替沉积6个二氧化钛层和5个二氧化硅层来获得上高反镜。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：包括依次向上设置的石英基板(3)、下高反镜、内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层(6)和上高反镜。
2.根据权利要求1所述的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层(6)由二氧化硅膜和嵌入该二氧化硅膜中的硫化银/硫化银锌核壳量子点组成。
3.根据权利要求2所述的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述硫化银/硫化银锌核壳量子点在二氧化硅膜中均匀分布。
4.根据权利要求2所述的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述硫化银/硫化银锌核壳量子点由硫化银量子点(1)以及包覆在该硫化银量子点(1)表面的硫化银锌合金壳(2)组成。
5.根据权利要求4所述的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述硫化银锌合金壳(2)的锌元素含量从内到外逐渐增加。
6.根据权利要求1所述的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述硫化银/硫化银锌核壳量子点作为光增益介质。
7.根据权利要求1所述的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述下高反镜为分布式布拉格反射镜，由7个二氧化钛层(4)和6个二氧化硅层(5)交替叠加构成，二氧化钛层(4)和二氧化硅层(5)的光学厚度均为下高反镜的反射中心波长的1/4；所述下高反镜的反射率大于99.5％。
8.根据权利要求1所述的内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述上高反镜为分布式布拉格反射镜，由6个二氧化钛层(4)和5个二氧化硅层(5)交替叠加构成，二氧化钛层(4)和二氧化硅层(5)的光学厚度均为上高反镜的反射中心波长的1/4；所述上高反镜的反射率小于99％。
9.一种内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)利用高温热分解法制备硫化银量子点；
(2)利用连续离子层吸附反应法，通过逐渐减小银离子前躯体的注入速度同时增加锌离子前躯体的注入速度，在硫化银量子点表面包覆锌元素含量从内到外逐渐增加的硫化银锌合金壳，获得硫化银/硫化银锌核壳量子点；
(3)利用电子束热蒸发法在石英基板上交替沉积7个二氧化钛层和6个二氧化硅层来获得下高反镜；
(4)将步骤(2)得到的硫化银/硫化银锌核壳量子点分散于甲苯中，再将硫化银/硫化银锌核壳量子点的甲苯分散液与全氢聚硅氮烷混合，然后旋涂到下高反镜上来获得内含硫化银/硫化银锌核壳量子点的二氧化硅层；
(5)利用射频磁控溅射法在内含量子点的二氧化硅层上交替沉积6个二氧化钛层和5个二氧化硅层来获得上高反镜。
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