專利名稱：一種基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光學(xué)、集成光電子學(xué)、納米材料、納米加工、納米器件以及儀器科學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，具體涉及ー種基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器及其制備エ藝?！?br> 背景技術(shù)：
納米線是直徑在IOOnm以下而長度方向上沒有限制的ー維納米結(jié)構(gòu)，納米線可作為制備光子器件的材料，也可作為光子傳播的介質(zhì)。雖然只有十幾年的歷史，納米線已經(jīng)成為很多領(lǐng)域廣泛關(guān)注的焦點。作為ー種新型材料，納米線已經(jīng)被廣泛用于研制光電子器件，主要包括納米線激光器、傳感器、場效應(yīng)管和探測器等。在納米線光電子器件中，納米線激光器的研究近年來已經(jīng)有了較大突破。2001年，《Science》雜志報道了美國Universityof California, Berkeley楊培東研究組研制出的世界上最小的激光器一室溫紫外福射的納米線激光器。這種激光器是在金(Au)層上形成直徑為20-150nm、長度為10 μ m的純氧化鋅(ZnO)納米線。這種激光器需要用釹釔鋁石榴石(Nd YAG)激光器的四次諧波作為激光泵浦源。2003年，《Nature》雜志報道了美國Harvard University的Lieber研究組研制出的可自動調(diào)控開關(guān)的新型納米線激光器，該激光器就采用了外電流激活方式。激光干涉測量系統(tǒng)的測量范圍與激光器波長可調(diào)諧范圍密切相關(guān)，但是實現(xiàn)波長大范圍調(diào)諧的納米線激光器非常困難，主要因為半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)的晶格失配有限，導(dǎo)致材料成分不能大幅度調(diào)節(jié)。湖南大學(xué)鄒炳鎖領(lǐng)導(dǎo)的研究組與美國Arizona State University寧存政領(lǐng)導(dǎo)的研究組合作，采用ー維納米結(jié)構(gòu)生長技術(shù)，消除了大部分晶格失配，將半導(dǎo)體激光器波長調(diào)諧范圍擴大到200nm (可見光波長范圍500-700nm),他們的研究成果在《Nano Letters))雜志發(fā)表。與原來調(diào)諧范圍最長僅幾十納米相比實現(xiàn)了重大突破，但是激光器的単色性較差，這使得激光器的實用性受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
研制基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器，發(fā)明內(nèi)容包括基于納米線陣列的激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其制備エ藝。具體如下一種基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器及其制備エ藝，包括金屬薄膜電極、納米線和絕緣基底；納米線在絕緣基底上依次均勻排列，納米線的兩端均覆蓋ー個金屬薄膜電極形成正負(fù)極，金屬薄膜電極與絕緣基底接觸；在金屬薄膜電極上加電壓，從而使納米線兩端產(chǎn)生激光。進(jìn)ー步，先后沉積Ti和Au形成金屬薄膜電極。進(jìn)ー步，把不同組分的納米線排列成為納米線陣列，通過控制納米線陣列中不同的納米線在不同時刻發(fā)光，從而實現(xiàn)波長可調(diào)諧激光器。進(jìn)ー步，可調(diào)諧激光器長度尺寸在微米級，直徑在納米級。一種納米線陣列激光器的制備エ藝，包括如下步驟
I)制備不同組分的納米線；2)使用超細(xì)光纖探針進(jìn)行搜集，在配有激發(fā)光源和光纖探針的掃描探針顯微鏡上把不同組分的納米線排列在同一基底上，形成組分不同的納米線陣列；3)在納米線陣列表面旋涂合適厚度的PMMA電子束光刻膠并進(jìn)行前烘；4)進(jìn)行電子束對準(zhǔn)光刻，并進(jìn)行顯影、定影和后烘；5)采用熱蒸發(fā)エ藝在PMMA電子束光刻膠表面和納米線的兩端沉積Ti和Au，并去除剰余的PMMA膠，最后進(jìn)行退火處理。進(jìn)ー步，制備納米線的過程為采用濺射エ藝在P型Si基底上制備Au薄膜，進(jìn)行退火處理使得Au晶粒的取向一致，從而使生長出的納米線陣列的取向一致，接著將退火處理過的基底放入事先配制好的溶液中；將Au薄膜水平向下浸入配置好的溶液，通過水浴生 長得到不同形貌的納米線。進(jìn)一歩，Au薄膜厚度和水浴生長時間不同，導(dǎo)致生成不同形貌的納米線。進(jìn)ー步，溶液配制過程如下取摩爾比為I : I的Ζη(Ν03)2.6Η20和六亞甲基四(HMTA)，配制摩爾濃度為5mMol/L的無色澄明水溶液。本發(fā)明的有益效果是所研制的可調(diào)諧激光器由納米線陣列構(gòu)成，納米線陣列中不同的納米線的材料組分不同，任何單根納米線都是相對獨立的激光器。因為每根納米線的組分不同，所以每根納米線可以發(fā)出不同波長的光?；诖?，通過控制不同的納米線在不同時刻發(fā)光，從而實現(xiàn)波長可調(diào)諧激光器。


圖I (a)為基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器的結(jié)構(gòu)圖。圖I (b)為基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器的結(jié)構(gòu)俯視圖。圖2為基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器的制備エ藝流程示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，I是金屬薄膜電極，寬度為300nm，厚度為190nm，采用熱蒸發(fā)エ藝，先沉積40nm厚的Ti，然后沉積150nm厚的Au ；2是納米線，長度從幾到幾十個微米，直徑在IOOnm左右，通過微操作設(shè)備把能夠發(fā)出不同波長光的納米線排列在基底上，間距為2 μ m ;3是絕緣基底，要求表面粗糙度不大于lnm。如圖2所示，首先將納米線排列在絕緣基底上；然后旋涂合適厚度的PMMA電子束光刻膠并進(jìn)行前烘；接著進(jìn)行電子束對準(zhǔn)光刻，并進(jìn)行顯影、定影和后烘；最后采用熱蒸發(fā)エ藝沉積40nm的Ti和150nm的Au，并去除剩余的PMMA膠，以上エ藝完成后進(jìn)行退火處理。納米線的制備采用濺射エ藝在P型Si基底上制備50nm厚的Au薄膜，然后在200°C下進(jìn)行退火處理使得Au晶粒的取向一致，從而使得生長出的納米線陣列的取向一致，接著將退火處理過的基底放入事先配制好的溶液中去。溶液配制過程如下使用電子天平秤取摩爾比為I : I的Zn(NO3)2.6H20和六亞甲基四(HMTA)，配制摩爾濃度為5m Mol/L的無色澄明水溶液。將基底Au面水平向下浸入配置好的溶液，在水浴鍋中，95°C水浴分別生長5h、10h、16h,得到不同形貌的納米線。
納米線陣列的制備采用以上方法制備不同組分，如ZnO、Zn2O2納米線，使用超細(xì)光纖探針進(jìn)行搜集，在配有激發(fā)光源和光纖探針的掃描探針顯微鏡(SPM)上把不同組分的納米線排列在基底上，形成組分不同的納米線陣列。納米線陣列的性能測試及可調(diào)諧激光器的制備測試ZnO納米線陣列的PL(Photoluminescence)譜，然后制備電極測量其EL (Electroluminescence)譜。采用光學(xué)薄膜的PL光譜測量方法測量ZnO納米線陣列的PL光譜，為了實現(xiàn)電致發(fā)光，首先在基底上制備金屬電極，然后在兩電極間通入MHz的高頻電場，由于納米線在電場中被極化，利用異種電荷相互吸引的原理，將納米線和金屬電極進(jìn)行裝配。采用FIB/SEM(聚焦離子束/掃描電子顯微鏡)雙束系統(tǒng)上的PTP (Push to Pull)模塊選擇性提取單根ZnO納米線，并在納米線上制備出電扱。另外使用電子束曝光(EBL)圖案化工藝進(jìn)行電極制備，主要原理是采用PMMA膠進(jìn)行光刻，PMMA是常用的EBL正膠，但是在大電子劑量下，PMMA分子發(fā)生交叉連接(cross-link)變成難溶物質(zhì),呈現(xiàn)負(fù)膠的特性。這樣便能夠使用EBL上自帶的SEM進(jìn)行隨機分散納米線的選擇和定位，同時采用超大電子劑量進(jìn)行曝光，從而在單根納米線上制 備出各種圖案，再結(jié)合薄膜エ藝，制備出所需要的電極，從而實現(xiàn)納米線陣列的電致發(fā)光。
權(quán)利要求
1.一種基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器，其特征在于包括金屬薄膜電極(I)、納米線(2)和絕緣基底(3);納米線(2)在絕緣基底(3)上依次均勻排列，納米線⑵的兩端均覆蓋金屬薄膜電極(I)形成正負(fù)極，金屬薄膜電極(I)與絕緣基底(3)接觸；在金屬薄膜電極上加電壓，從而使納米線兩端產(chǎn)生激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器，其特征在于先后沉積鈦(Ti)和金(Au)形成金屬薄膜電極(I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器，其特征在于把不同組分的納米線排列成為納米線陣列，通過控制納米線陣列中不同的納米線在不同時刻發(fā)光，從而實現(xiàn)波長可調(diào)諧激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的激光器，其特征在于可調(diào)諧激光器長度尺寸在微米級，直徑在納米級。
5.一種納米線陣列激光器的制備エ藝，其特征在于，包括如下步驟 1)制備不同組分的納米線； 2)使用超細(xì)光纖探針進(jìn)行搜集，在配有激發(fā)光源和光纖探針的掃描探針顯微鏡上把不同組分的納米線排列在同一基底上，形成組分不同的納米線陣列； 3)在納米線陣列表面旋涂合適厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)電子束光刻膠并進(jìn)行前烘； 4)進(jìn)行電子束對準(zhǔn)光刻，并進(jìn)行顯影、定影和后烘； 5)采用熱蒸發(fā)エ藝在PMMA電子束光刻膠表面以及納米線的兩端沉積Ti和Au，并去除剰余的PMMA膠，最后進(jìn)行退火處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的エ藝，其特征在于，制備納米線的過程為采用濺射エ藝在P型Si基底上制備Au薄膜，進(jìn)行退火處理使得Au晶粒的取向一致，從而使生長出的納米線陣列的取向一致，接著將退火處理過的基底放入事先配制好的溶液中JfAu薄膜水平向下浸入配置好的溶液，通過水浴生長得到不同形貌的納米線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的エ藝，其特征在于，所述Au薄膜的厚度、水浴生長時間的不同，導(dǎo)致生成出不同形貌的納米線。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的エ藝，其特征在于，溶液配制過程如下取摩爾比為I: I的Zn (NO3) 2.6H20和六亞甲基四(HMTA)，配制摩爾濃度為5mMol/L的無色澄明水溶液。
全文摘要
一種基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器及其制備工藝。所研制的可調(diào)諧激光器由納米線陣列構(gòu)成，納米線陣列中不同的納米線的材料組分不同，任何單根納米線都是相對獨立的激光器。因為每根納米線的組分不同，所以每根納米線可以發(fā)出不同波長的光?；诖?，通過控制不同的納米線在不同時刻發(fā)光，從而實現(xiàn)波長可調(diào)諧激光器。
文檔編號H01S5/30GK102684068SQ20121016739
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者張坤, 李磊, 楊樹明, 胡慶杰, 蔣莊德, 韓楓 申請人:西安交通大學(xué)