一种ZnO单模紫外激光的实现与增强方法
【专利摘要】本发明公开了一种ZnO单模紫外激光的实现与增强方法，将利用化学气相沉积法或机械剥离法制备的单层石墨烯转移覆盖至直径在亚微米量级的单根ZnO纳米线表面，形成石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔。通过石墨烯表面等离子体对光场的有效限域，能大大减小ZnO纳米线的光学损耗，有效降低激射阈值，进而提高微激光器品质因子，增强其紫外激光强度。本发明为合成高性能光电器件提供了一种非常有益的方法，同时也开辟了其在包括超快信息处理，纳米显微成像，纳米光刻技术，以及生物医学和超传感等方面的潜在应用。
【专利说明】一种ZnO单模紫外激光的实现与增强方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及ZnO紫外激光【技术领域】，具体涉及一种ZnO单模紫外激光的实现与增强方法。
【背景技术】
[0002]具有良好单色性(即窄光谱线宽，单模)的高性能紫外激光器因在特定蛋白检测、区分小分子的转动能量、以及超灵敏光学传感器等方面的广泛应用，引起了科学界的广泛关注。为得到该类型的单模微激光器，人们进行了不断的研究和探索。根据数值模拟的结果，一种通用的以获得单模微激光器的方法就是使用分布式布拉格反射器(DBR)或分布式反馈(DFB)光栅。另一种可能的途径则是利用游标效应(Vernier effect)进行模式选择。例如，徐雷等人曾报道了通过耦合两个大小不匹配的环形谐振腔形成耦合的非对称微腔，多个回音壁模(WGM)共振模式被抑制,得到了单模激光，同时实现了激光的定向输出。然而，上述两种方法都依赖于复杂的制备工艺，有其局限性。另一种相对简单的，即通过减小腔体尺寸从而使得腔体的自由波谱范围(free spectral range, FSR)超出增益介质光谱范围的方法成为一个理想选择。但随之而来的一个问题就是伴随着腔体尺寸的减小，微腔的光损耗急剧增加，导致实现激射的阈值很高。近年来，等离子激光器(plasmoniclasers)，因其结合了半导体纳米激光器及等离子体材料的优点，具有超小尺寸、低功耗及模式高度可调的特点，引起了人们的极大关注，并且在诸如芯片间数据传输、高密度数据存储以及芯片实验室集成等方面存在广泛应用前景。目前，等离子激光器已在诸如双金属多孔纳米线，纳米片，纳米盘，同轴及环形纳米线等结构中得以实现。作为一个代表性的例子，Choi等报道了在金属层包覆的，由直径约为980纳米的氮化镓六边形纳米柱组成的阵列结构中，实现了单模WGM激光。该实验中最具重要性的一点就是金属层的包覆，金属层促进了纳米柱微腔中的光场限域，从而产生了受激辐射。然而，金属表面等离子体在固定器件中不易调节，并且普遍存在较大的欧姆损耗，这些缺点和不足限制了新型高性能功能光电材料和器件的设计与应用。
[0003]近年来人们对石墨烯的研究，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。特别是，Science曾报道了一个很有学术意义和值得利用的物理现象，即石墨烯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。石墨烯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。另一方面，ZnO作为一种直接带隙宽禁带半导体材料，在短波长光电功能材料与器件方面有着重要的应用前景，在过去的十多年，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关注。基于ZnO的短波长激光器因其独特的性质引起了人们的高度关注，并被视为下一代的激光源存在广泛的应用前景。在ZnO紫外激光的三种谐振机制中，WGM激光因其高激光品质因数和低阈值的特点，从而备受关注。亚微米尺度的ZnO因腔体尺寸小，光学损耗相对比较大，不利于其在光学及光电子领域的应用。因此，研究如何提高ZnO WGM激光性能，是一个科学和技术上的难题。
【发明内容】
[0004]本发明目的是提供一种ZnO单模紫外激光的实现与增强方法，以实现ZnO单模紫外激光输出及增强其激光性能。
[0005]本发明采用以下技术方案:
[0006]一种ZnO单模紫外激光的实现与增强方法，包括如下步骤:
[0007]步骤一、将ZnO粉末和碳粉末按质量比1:1混合研磨，之后将研磨得到的混合物置于石英舟内；
[0008]步骤二、将清洗干净的硅片衬底的抛光面朝下覆盖于步骤一所述石英舟之上，之后将石英舟置于两端开口的石英管内，将石英管放入1150°c的水平管式炉中，保温40?45分钟，即在硅片衬底上生成单根直径在亚微米量级的ZnO纳米线阵列；
[0009]步骤三、将步骤二得到的硅片衬底生长有ZnO纳米线阵列的一面和清洗干净的石英基底接触，压实，之后将硅片衬底和石英基底移开，即在石英基底上留下分散的ZnO纳米线.
[0010]步骤四、利用化学气相沉积法或机械剥离法制备单层石墨烯，将制备的单层石墨烯转移覆盖至步骤三所得的石英基底上分散的ZnO纳米线表面，形成石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔。
[0011]步骤一所述研磨的时间为20分钟。
[0012]步骤四所述化学气相沉积法制备单层石墨烯步骤如下:首先将厚度为25微米的铜箔插入管式炉的石英管中，在氩气气氛下加热到1045°C，再通入氢气和甲烷的混合气体，氢气流量为60sccm,甲烧流量为90sccm,反应压强为320Pa,生长时间为10分钟；最后在IS气气氛下迅速冷却至室温，冷却速率为50°C /分钟，即在铜箔表面生长出单层石墨烯。
[0013]步骤四所述机械剥离法制备单层石墨烯步骤如下:首先将高定向热解石墨基片用HCl:H2O2:H2O体积比为1:2:8的混合溶液进行清洗，用氮气吹干；然后将洗净的高定向热解石墨基片粘附在胶带表面，使胶带和高定向热解石墨基片紧密接触，慢慢撕下，在胶带表面留下一层石墨薄片；把胶带两端对折，把石墨薄片夹在胶带具有粘性的一侧中间，压实，慢慢撕下，将石墨薄片一分为二 ；重复上述对折、压实、慢慢撕下的动作5到10次；最后将胶带粘附到300纳米Si02/Si衬底上，慢慢撕下，即在Si02/Si衬底上留下大量少层或单层的石墨烯。
[0014]本发明的有益效果:
[0015]1、本发明利用边界光滑、直径在亚微米量级的单根ZnO纳米线形成天然的WGM激光微腔，其腔体尺寸小，有利于单模WGM激光的形成。
[0016]2、本发明将利用化学气相沉积法或机械剥离法制备的单层石墨烯覆盖在ZnO纳米线表面，形成石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔。通过石墨烯表面等离子体对光场的有效限域，能大大减小ZnO纳米线的光学损耗，有效降低激射阈值，进而提高微激光器品质因子，增强其紫外激光强度。
[0017]3、本发明制备的ZnO纳米线在光泵浦条件下产生了单模WGM紫外激光，覆盖石墨烯以后，该单模紫外激光的性能发生了明显变化，具体表现为激光品质因子(Q值)显著提高，激射阈值明显降低，在相同泵浦功率下，石墨烯包覆的ZnO纳米线发光强度比包覆前大大增加。本发明为合成高性能光电器件提供了一种非常有益的方法，同时也开辟了其在包括超快信息处理，纳米显微成像，纳米光刻技术，以及生物医学和超传感等方面的潜在应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明制备流程示意图。
[0019]图2为单根ZnO纳米线置于石英基底上的结构示意图。
[0020]图3为最终形成的石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔的结构示意图。
[0021]图4为实施例1制备的单根ZnO纳米线的扫描电子显微镜图片。
[0022]图5为实施例1制备的ZnO纳米线在不同泵浦功率下的光谱。
[0023]图6为实施例1制备的石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔在不同泵浦功率下的光
-1'TfeP曰。
[0024](图5、图6中插图为泵浦光的功率密度，单位为千瓦每平方厘米[KW/cm2])
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
[0026]一种ZnO单模紫外激光的实现与增强方法，如图1所示，包括如下步骤:
[0027]步骤一、将纯度为99.99%以上的ZnO粉末和碳粉末按质量比1:1混合研磨20分钟，之后取0.5克研磨得到的混合物置于石英舟内；
[0028]步骤二、将硅片衬底依次经丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，氮气吹干，将抛光面朝下覆盖于步骤一所述石英舟之上，之后将石英舟置于两端开口的石英管内，将石英管放入1150°C的水平管式炉中，保温40?45分钟，即在硅片衬底上生成单根直径在亚微米量级(约600纳米)的ZnO纳米线阵列；
[0029]步骤三、将步骤二得到的硅片衬底生长有ZnO纳米线阵列的一面和清洗干净的石英基底接触，轻轻压实，之后将硅片衬底和石英基底小心移开，即在石英基底上留下少许分散的ZnO纳米线，如图2所示；
[0030]步骤四、利用化学气相沉积法或机械剥离法制备单层石墨烯，将制备的单层石墨烯转移覆盖至步骤三得到的石英基底上分散的ZnO纳米线的表面，形成石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔，如图3所示。
[0031]所述化学气相沉积法制备单层石墨烯步骤如下:首先将铜箔(厚度为25μπι)插入管式炉的石英管中，在氩气气氛下加热到1045°C，再通入氢气(H2，60sccm)和甲烷(CH4,90sccm)的混合气体，反应压强为320Pa，生长时间为10分钟。最后在氩气气氛下迅速冷却至室温(冷却速率为50°C /分钟)，即可在铜箔表面生长出单层石墨烯。
[0032]所述机械剥离法制备单层石墨烯步骤如下:所用到的原材料为美国SPI公司生产的高定向热解石墨(HOPG)。首先将HOPG基片用HCl: H2O2: H2O体积比为1:2:8的混合溶液进行清洗，除去表面的灰尘和氧化物等，用氮气吹干。然后将洗净的HOPG基片粘附在3M思高牌胶带表面，使胶带和石墨烯基片紧密接触，慢慢撕下，即可在胶带表面留下一层石墨薄片。把胶带两端对折，把石墨薄片夹在胶带具有粘性的一侧中间，压实，慢慢撕下，即可将石墨薄片一分为二，变得更薄。重复上述动作5到10次。最后将胶带粘附到300纳米S12/Si衬底上，慢慢撕下，即可在衬底上留下大量少层，甚至单层的石墨烯。
[0033]实施例1
[0034]1、将纯度为99.99%以上的ZnO粉末和碳粉末按质量比1:1混合研磨20分钟左右，之后取0.5克研磨得到的混合物置于石英舟内；
[0035]2、将2cm*2.5cm硅片衬底依次经丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，氮气吹干，将抛光面朝下覆盖于上述石英舟之上，之后将石英舟置于两端开口的石英管内，将石英管放入1150°C的水平管式炉中，保温45分钟，即在硅片衬底上生成单根直径在亚微米量级(约600纳米)的ZnO纳米线阵列；
[0036]3、将硅片衬底生长有ZnO纳米线阵列的一面和清洗干净的石英基底接触，轻轻压实，之后将硅片衬底和石英基底小心移开，即在石英基底上留下少许分散的ZnO纳米线；制备的单根ZnO纳米线如图4所示，直径在亚微米量级，边界光滑；
[0037]4、利用化学气相沉积法制备单层石墨烯，将制备的单层石墨烯转移覆盖至步骤三得到的石英基底上分散的ZnO纳米线的表面，形成石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔。
[0038]利用微区荧光(μ -PL)测试系统，以飞秒激光器(150fs，1000Hz)为泵浦光源，将光斑直径聚焦到约2微米，对石英基底上单根ZnO纳米线样品和石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔分别进行光泵浦实验研究。通过实验结果，分析其激射阈值、品质因子、激光强度、共振峰位置等光学参量，分析石墨烯覆盖前后单根ZnO纳米线以及石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔紫外激光发射行为，以研究石墨烯对单根亚微米尺寸的ZnO样品紫外激光发射行为的影响。如图5和图6所示，实验结果表明ZnO纳米线在光泵浦条件下产生了单模紫外WGM激光，覆盖石墨烯以后，石墨烯对该单模紫外激光产生了显著影响，具体表现为激光品质因子(Q值)显著提高，激射阈值明显降低，在相同泵浦功率下，石墨烯包覆的ZnO纳米线发光强度比包覆前大大增加。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，同时也开辟了其在包括超快信息处理，纳米显微成像，纳米光刻技术，及生物医学和超传感等方面的潜在应用。
【权利要求】
1.一种ZnO单模紫外激光的实现与增强方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一、将ZnO粉末和碳粉末按质量比1:1混合研磨，之后将研磨得到的混合物置于石英舟内； 步骤二、将清洗干净的硅片衬底的抛光面朝下覆盖于步骤一所述石英舟之上，之后将石英舟置于两端开口的石英管内，将石英管放入1150°C的水平管式炉中，保温40?45分钟，即在硅片衬底上生成单根直径在亚微米量级的ZnO纳米线阵列； 步骤三、将步骤二得到的硅片衬底生长有ZnO纳米线阵列的一面和清洗干净的石英基底接触，压实，之后将硅片衬底和石英基底移开，即在石英基底上留下分散的ZnO纳米线； 步骤四、利用化学气相沉积法或机械剥离法制备单层石墨烯，将制备的单层石墨烯转移覆盖至步骤三所得的石英基底上分散的ZnO纳米线表面，形成石墨烯/ZnO纳米线复合结构微腔。
2.根据权利要求1所述的ZnO单模紫外激光的实现与增强方法，其特征在于，步骤一所述研磨的时间为20分钟。
3.根据权利要求1所述的ZnO单模紫外激光的实现与增强方法，其特征在于，步骤四所述化学气相沉积法制备单层石墨烯步骤如下:首先将厚度为25微米的铜箔插入管式炉的石英管中，在氩气气氛下加热到1045°C，再通入氢气和甲烷的混合气体，氢气流量为60sccm,甲烷流量为90sccm，反应压强为320Pa，生长时间为10分钟；最后在氩气气氛下迅速冷却至室温，冷却速率为50°C /分钟，即在铜箔表面生长出单层石墨烯。
4.根据权利要求1所述的ZnO单模紫外激光的实现与增强方法，其特征在于，步骤四所述机械剥离法制备单层石墨烯步骤如下:首先将高定向热解石墨基片用HCl:H2O2:H2O体积比为1:2:8的混合溶液进行清洗，用氮气吹干；然后将洗净的高定向热解石墨基片粘附在胶带表面，使胶带和高定向热解石墨基片紧密接触，慢慢撕下，在胶带表面留下一层石墨薄片；把胶带两端对折，把石墨薄片夹在胶带具有粘性的一侧中间，压实，慢慢撕下，将石墨薄片一分为二 ；重复上述对折、压实、慢慢撕下的动作5到10次；最后将胶带粘附到300纳米Si02/Si衬底上，慢慢撕下，即在Si02/Si衬底上留下大量少层或单层的石墨烯。
【文档编号】H01S5/10GK104242053SQ201410491749
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】徐春祥, 理记涛, 田正山, 林毅, 卢俊峰, 王悦悦 申请人:东南大学