CN112563881B - 基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器及其制备方法 - Google Patents

基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器及其制备方法，等离激元激光器包括单根ZnO纳米线、Al壳层膜；制备方法包括如下步骤：在Si衬底上用气相沉积法生长ZnO纳米线阵列；用射频磁控溅射法在ZnO纳米线阵列上溅射Al壳层膜；将ZnO/Al纳米阵列放置在无水乙醇中进行超声，取超声后的溶液滴加在干净的石英片上进行烘干，便形成分散性好的等离激元激光器。本发明通过简单的气相沉积方法和射频磁控溅射方法，优化溅射时间，可在ZnO纳米线阵列上生长不同厚度、表面光滑均一的Al壳层膜，制备的ZnO/Al核壳纳米，在325nm飞秒激光器泵浦下，可以在突破衍射极限的条件下，实现了自发辐射因子达到0.14的良好紫外激光特性。

Description

基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器及其制备方法。
背景技术
由于等离子体激光器可以突破衍射，在光电子与光子集成方面有着潜在的应用，甚至突破了衍射极限。在物理边界处减少光泄漏对于光子集成的密度是非常重要的。提高激光性能的主要途径是有效地将光场限制在纳米尺度内，使金属SP与半导体激子有效耦合，通过材料的选择和结构设计显著减少光泄漏。
目前普遍报道的等离子体激光器是金属/绝缘体/半导体组成的一维等离激元激光器，由于光在传播方向和端面的泄漏，一维光场限域不能满足光学集成的高性能要求。构建三维光场束缚成为一种解决方法。
由于ZnO具有天然的微腔结构和较高的激子结合能，常被用作等离子体纳米激光器的理想紫外发光半导体纳米材料。金属Al在紫外区有较强的共振吸收。ZnO和Al的核壳纳米结构不需要绝缘层，可以大大简化制备的过程。因此，可以采用简单的射频磁溅射方法制备器件。由于金属Al覆盖了ZnO纳米线的轴向和截面的一端，可以实现光场三维束缚。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器及其制备方法，使用ZnO纳米线和Al壳层膜，构建ZnO/Al的核壳纳米线光场三维束缚，实现高性能的激光特性。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器，包括ZnO纳米线阵列、Al壳层膜；在Si衬底上用气相沉积法生长ZnO纳米线阵列，在ZnO纳米线阵列上溅射一层Al壳层膜，单根ZnO/Al核壳纳米线构成等离激元激光器。
进一步地，ZnO纳米线阵列半径为50～100nm，长度为1～5μm。
进一步地，ZnO纳米线阵列轴向和顶部的Al壳层膜厚度为15～50nm。
进一步地，ZnO/Al核壳纳米线的一端有Al壳层膜。
一种基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，包括步骤：
(1)按照质量比1：1～3：1将纯的ZnO粉末和100～1000目的碳粉末混合后，细细研磨，称量混合粉0.5～0.8g后用长药匙将粉末送入长度30cm、直径3cm的石英管底；将Si衬底放入石英管开口端4～7cm，将石英管底的粉末推到管式炉最高温的反应区，封闭管式炉，抽真空，用氩气和氧气分别作为载气和反应气通入其中，反应20～35分钟；破真空，开启管式炉，取出ZnO纳米线阵列；
(2)将ZnO纳米线阵列倒放入射频磁控溅射仪中，溅射一层Al壳层膜；
(3)将ZnO/Al核壳纳米线阵列放入无水乙醇中，超声2～3分钟，将超声溶液滴加到干净的石英片，形成分散的ZnO/Al核壳纳米线；
(4)将步骤(3)最后形成单根ZnO/Al核壳纳米线进行变功率光谱测量。
进一步地，步骤(1)中，高温反应的温度为1000～1200℃，氩气流量为130～180sccm、氧气流量为13～18sccm。
进一步地，步骤(2)中，溅射靶材是60×2mm的Al靶材，氩气流量30～50sccm，溅射时的腔体气压为0.5～3Pa，溅射功率为90～140W，溅射时间为10～30分钟。
进一步地，用325nm的飞秒激光器作为泵浦光源。
有益效果：本发明在传统ZnO光子激光器的基础上，在ZnO纳米线轴向和顶部上溅射一层Al壳层膜，构成了光学模式三维束缚，减少了光在器件物理边界上的泄露；本发明制备的ZnO/Al核壳等离激元激光器，在325nm的飞秒激光器泵浦下，不仅具有高性能的紫外激光输出，而且自发辐射因子可达0.14。
附图说明
图1是ZnO/Al核壳纳米线透射电子显微镜示意图；
图2是ZnO/Al核壳纳米线的合成示意图；
图3是实施例1中的ZnO/Al核壳纳米线的光谱和阈值曲线示意图；其中，3(a)是光谱曲线示意图，3(b)是阈值曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器，包括ZnO纳米线阵列、Al壳层膜；首先在Si衬底上生长ZnO纳米线阵列，其次在ZnO纳米线阵列上溅射一层Al壳层膜，单根ZnO/Al核壳纳米线最终构成紫外光探测器件，即，等离激元激光器。
ZnO纳米线阵列，半径为50～100nm，长度为1～5μm。ZnO纳米线轴向和顶部的Al壳层膜厚度为15～50nm。
ZnO/Al核壳纳米线的一端有Al壳层膜。
如图2所示，本发明所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照质量比1：1～3：1将纯的ZnO粉末和100～1000目的碳粉末混合后，细细研磨，称量混合粉0.5～0.8g，然后用长药匙将粉末送入长度30cm、直径3cm的石英管底；将Si衬底放入石英管开口端4～7cm，将石英管底的粉末推到管式炉最高温的反应区，封闭管式炉，抽真空，用氩气和氧气分别作为载气和反应气通入其中，反应20～35分钟；破真空，开启管式炉，取出ZnO纳米线阵列；
高温反应的温度为1000～1200℃，氩气流量为130～180sccm，氧气流量为13～18sccm。
(2)将ZnO纳米线阵列倒放入射频磁控溅射仪中，溅射一层Al壳层膜，形成ZnO/Al核壳纳米线阵列；
溅射靶材是60×2mm的Al靶材，氩气流量为30～50sccm，溅射时的腔体气压为0.5～3Pa，溅射功率为90～140W，溅射时间为10～30分钟。
(3)将ZnO/Al核壳纳米线阵列放入无水乙醇中，超声2～3分钟，将超声溶液滴加到干净的石英片，形成分散的ZnO/Al核壳纳米线，便于测试；
(4)将步骤(3)最后形成单根ZnO/Al核壳纳米线，进行变功率光谱测量，其中，用325nm的飞秒激光器作为泵浦光源。
实施例1
本发明所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，包括如下步骤：
第一步：按照质量比1：1将纯的ZnO粉末和100～1000目的碳粉末混合后，细细研磨，称量混合粉0.7g后用长药匙将粉末送入长度30cm、直径3cm的石英管底；
将Si衬底放入石英管开口端7cm，将石英管底的粉末推到管式炉最高温的反应区，高温反应的温度为1050℃，封闭管式炉，抽真空，用氩气和氧气分别作为载气和反应气通入，其中通入氩气流量150sccm和氧气流量15sccm，反应20分钟，破真空，开启管式炉，取出ZnO纳米线阵列；
第二步：ZnO纳米线阵列倒放入射频磁控溅射仪中，溅射一层Al壳层膜；溅射靶材是60×2mm的Al靶材，氩气流量50sccm，溅射时的腔体气压为2Pa，溅射功率为110W，溅射时间为10分钟。合成的Al壳层膜厚度约为15nm。
第三步：将ZnO/Al核壳纳米线阵列放入无水乙醇中，超声3分钟，将超声溶液滴加到干净的石英片，形成分散的ZnO/Al核壳纳米线。
第四步：将第三步最后形成单根ZnO/Al核壳纳米线(半径100nm)进行变功率光谱测量，如图3所示，其中，3(a)是光谱曲线示意图，3(b)是阈值曲线示意图。在325nm飞秒激光的泵浦下，ZnO/Al核壳纳米线具有良好的紫外激光特性，拟合阈值曲线图发现自发辐射因子达到了0.14。
实施例2
本发明所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，包括如下步骤：
第一步：按照质量比1：1将纯的ZnO粉末和100～1000目的碳粉末混合后，细细研磨，称量混合粉0.7g后用长药匙将粉末送入长度30cm、直径3cm的石英管底；
将Si衬底放入石英管开口端7cm，将石英管底的粉末推到管式炉最高温的反应区，高温反应的温度为1050℃，封闭管式炉，抽真空，用氩气和氧气分别作为载气和反应气通入，其中通入氩气流量150sccm和氧气流量15sccm，反应20分钟，破真空，开启管式炉，取出ZnO纳米线阵列；
第二步：ZnO纳米线阵列倒放入射频磁控溅射仪中，溅射一层Al壳层膜，溅射靶材是60×2mm的Al靶材，氩气流量50sccm，溅射时的腔体气压为2Pa，溅射功率为110W，溅射时间为20分钟。合成的Al壳层膜厚度约为30nm。
第三步：将ZnO/Al核壳纳米线阵列放入无水乙醇中，超声3分钟，将超声溶液滴加到干净的石英片，形成分散的ZnO/Al核壳纳米线。
第四步：将第三步最后形成单根ZnO/Al核壳纳米线进行变功率光谱测量。
实施例3
本发明所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，包括如下步骤：
第一步：按照质量比1：1将纯的ZnO粉末和100～1000目的碳粉末混合后，细细研磨，称量混合粉0.7g后用长药匙将粉末送入长度30cm、直径3cm的石英管底；将Si衬底放入石英管开口端7cm，将石英管底的粉末推到管式炉最高温的反应区，高温反应的温度为1050℃，封闭管式炉，抽真空，用氩气和氧气分别作为载气和反应气通入，其中通入氩气流量150sccm和氧气流量15sccm，反应20分钟，破真空，开启管式炉，取出ZnO纳米线阵列；
第二步：ZnO纳米线阵列倒放入射频磁控溅射仪中，溅射一层Al壳层膜，溅射靶材是60×2mm的Al靶材，氩气流量50sccm，溅射时的腔体气压为2Pa，溅射功率为110W，溅射时间为30分钟。合成的Al壳层膜厚度约为50nm。
第三步：将ZnO/Al核壳纳米线阵列放入无水乙醇中，超声3分钟，将超声溶液滴加到干净的石英片，形成分散的ZnO/Al核壳纳米线。
第四步：将第三步最后形成单根ZnO/Al核壳纳米线进行变功率光谱测量。

Claims (8)

1.一种基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器，其特征在于，包括ZnO纳米线阵列、Al壳层膜；在Si衬底上用气相沉积法生长ZnO纳米线阵列，在ZnO纳米线阵列轴向和顶部上溅射一层Al壳层膜，构建ZnO/Al核壳纳米线光场的三维束缚，单根ZnO/Al核壳纳米线构成光泵等离激元激光器。
2.根据权利要求1所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器，其特征在于，ZnO纳米线阵列半径为50～100nm，长度为1～5μm。
3.根据权利要求1所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器，其特征在于，ZnO纳米线阵列轴向和顶部的Al壳层膜厚度为15～50nm。
4.根据权利要求1所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器，其特征在于，ZnO/Al核壳纳米线的一端有Al壳层膜。
5.一种基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)按照质量比1：1～3：1将纯的ZnO粉末和100～1000目的碳粉末混合后，细细研磨，称量混合粉0.5～0.8g后用长药匙将粉末送入长度30cm、直径3cm的石英管底；将Si衬底放入石英管开口端4～7cm，将石英管底的粉末推到管式炉最高温的反应区，封闭管式炉，抽真空，用氩气和氧气分别作为载气和反应气通入其中，反应20～35分钟；破真空，开启管式炉，取出ZnO纳米线阵列；
(2)将ZnO纳米线阵列倒放入射频磁控溅射仪中，在ZnO纳米线阵列轴向和顶部上溅射一层Al壳层膜；
(3)将ZnO/Al核壳纳米线阵列放入无水乙醇中，超声2～3分钟，将超声溶液滴加到干净的石英片，形成分散的ZnO/Al核壳纳米线；
(4)用泵浦光源对步骤(3)最后形成单根ZnO/Al核壳纳米线进行变功率光谱测量。
6.根据权利要求5所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，高温反应的温度为1000～1200℃，氩气流量为130～180sccm、氧气流量为13～18sccm。
7.根据权利要求5所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，溅射靶材是60×2mm的Al靶材，氩气流量30～50sccm，溅射时的腔体气压为0.5～3Pa，溅射功率为90～140W，溅射时间为10～30分钟。
8.根据权利要求5所述的基于ZnO/Al核壳纳米线的等离激元激光器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，用325nm的飞秒激光器作为泵浦光源。
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