专利名称：基于氧化锌单晶微纳米碟的回音壁模激光腔的制备方法
技术领域：
本发明是用简单的气相传输法制备六重对称的碟状氧化锌微/纳米结构，并基于此构建回音壁模(WGM)的氧化锌微/纳米激光腔，尤其是指基于氧化锌单晶微纳米碟的回音壁模激光腔的制备方法。
背景技术：
氧化锌(ZnO)作为一种宽直接带隙(3.34eV)的半导体材料，因其强激子结合能(60meV)，已成为低阈值半导体紫外激光及光电子器件的热点材料。从大尺寸块状单晶、薄膜材料到微纳米结构的ZnO，其紫外发光，特别是紫外激光均是最令人关注的研究热点。人们希望籍此开发基于ZnO材料的新型短波光电子器件，如紫外激光二极管、紫外发光二极管、传感器等，进而发挥其在电子、通信、显示、生物工程与环境监测等领域的重要作用。
随着光子器件与光电集成技术的发展，微腔激光器的研制引起了广泛的兴趣，其中微碟形回音壁模(Whispering Gallery Mode，WGM)激光的研究十分令人关注。它利用光在高折射率介质微碟内侧的全反射形成激光振荡微腔，从而避免了通常半导体激光器中复杂的DBR或DFB设计过程与生长工艺，并可获得很低的阈值和很高的品质因子Q。目前有关ZnO紫外激光的研究多见于薄膜或粉末材料中的随机激光或微纳米结构中的F-P腔激光。如何利用ZnO优越的光电性能来构建新型激光器件则是一个非常有意义的课题。美国西北大学的研究人员在SiO2衬底上生长的ZnO薄膜，微加工形成微碟回音壁模(WGM)激光微腔就是一个很有价值的探索。但这种方法制备工艺复杂、粒子对光的散射和衬底对光的吸收严重，获得的WGM激光阈值较高，品质因子Q值较低。如果能制成单晶结构的ZnO微碟，则这种激光器件的性能将得到极大的提高。
我们用气相传输的方法制备的六重对称的碟状氧化锌微/纳米单晶结构，并基于此构建的WGM激光腔，其方法简单，且每个微/纳米结构单元是一个单晶，能很好地避免了多晶结构中颗粒对光的散射，从而可大大提高Q值、降低受激辐射阈值。相应的器件可用于光电集成、光电探测、化学/生物传感等重要的前沿科技领域。
发明内容
本发明涉及一种制备工艺简单基于氧化锌单晶微纳米碟的回音壁模激光腔的制备方法，由本发明制得的腔体具有品质因素高的优点。
本发明采用如下技术方案一种基于氧化锌单晶微纳米碟的回音壁模激光腔的制备方法，是以质量含量大于或等于99.99％锌粉作为反应原材料，以质量浓度大于或等于99.99％的氧气作为反应气体，以硅片或蓝宝石片作为衬底，氮气作为传输气体，使锌粉处于在700-800℃温度下，锌粉被蒸发成锌蒸汽，锌蒸汽被氮气传输到衬底区域，在温度为400-500℃的衬底上沉积并被氧化成氧化锌晶核，最终由这些晶核生长成微/纳米尺寸的六角对称碟状结构。
与现有技术相比，本发明具有如下优点本发明以其制备的微/纳米碟作为增益介质，以其内壁全反射构成回音壁模激光腔。本发明制备的六重对称的碟状氧化锌微纳米结构是单晶结构，其方法简单。基于此构建的WGM激光器，能很好地避免了多晶结构中颗粒对光的散射，从而可大大提高Q值、降低受激辐射阈值。相应的器件可用于光电集成、光电探测、化学/生物传感等重要的前沿科技领域。
1.氧化锌微/纳米碟兼备增益介质和激光腔体的双重特性。作为增益介质，它吸收泵浦光的能量并产生粒子数反转。作为腔体，它依靠全内反射使光在ZnO纳米碟的形成闭合环路，产生激光振荡。
2.不需要通常的半导体激光器中复杂的DBR或DFB设计过程与生长工艺，制备工艺简单。
3.生长出的纳米碟是单晶结构，减少了散射损耗和衬底吸收引起的损耗，有利于减低激光的阈值，提高品质因数。
图1本发明所得到的氧化锌纳米碟扫描电子显微(SEM)照片(a)低放大率，(b)高放大率。
图2氧化锌纳米碟X射线衍射(XRD)照片。
图3纳米碟中回音壁模式激光的传播路径示意图。
具体实施例方式
一种基于氧化锌单晶微纳米碟的回音壁模激光腔的制备方法，是以质量含量大于或等于99.99％锌粉作为反应原材料，以质量浓度大于或等于99.99％的氧气作为反应气体，以硅片或蓝宝石片作为衬底，氮气作为传输气体，使锌粉处于在700-800℃温度下，锌粉被蒸发成锌蒸汽，锌蒸汽被氮气传输到衬底区域，在温度为400-500℃的衬底上沉积并被氧化成氧化锌晶核，最终由这些晶核生长成微/纳米尺寸的六角对称碟状结构，上述反应将会在30-60分钟内完成。在本实施例中，锌粉的质量含量为99.99％或99.999％，氧气的质量浓度为99.99％或99.999％，锌粉的加热蒸发温度为700℃、800℃或759℃，衬底温度为400℃、500℃或445℃。
参照图1，(a)是氧化锌微/纳米碟的低放大率的扫描电镜照片，从中可以看出，碟的产量较大，且尺寸均匀。(b)是高放大率的扫描电镜照片，从中可以看出，碟的大小约为1μm，且表面光洁，没有缺陷。
参照图2，该图为碟的X射线的衍射照片，可以看出，所有的衍射峰都与纤锌矿结构的氧化锌晶面指数相对应，从窄的峰宽度可看出，晶体具有良好的晶格结构。由于没有其它杂峰，所以晶体无杂质。
参照图3，该图为回音壁模式激光的传播路径，激光振荡的条件是该路径长短是光波长的整数倍。
权利要求
1.一种基于氧化锌单晶微纳米碟的回音壁模激光腔的制备方法，其特征在于以质量含量大于或等于99.99％锌粉作为反应原材料，以质量浓度大于或等于99.99％的氧气作为反应气体，以硅片或蓝宝石片作为衬底，氮气作为传输气体，使锌粉处于在700-800℃温度下，锌粉被蒸发成锌蒸汽，锌蒸汽被氮气传输到衬底区域，在温度为400-500℃的衬底上沉积并被氧化成氧化锌晶核，最终由这些晶核生长成微/纳米尺寸的六角对称碟状结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于氧化锌单晶微纳米碟的回音壁模激光腔的制备方法，以质量含量大于或等于99.99％锌粉作为反应原材料，以质量浓度大于或等于99.99％的氧气作为反应气体，以硅片或蓝宝石片作为衬底，氮气作为传输气体，使锌粉处于在700－800℃温度下，锌粉被蒸发成锌蒸汽，锌蒸汽被氮气传输到衬底区域，在温度为400－500℃的衬底上沉积并被氧化成氧化锌晶核，最终由这些晶核生长成微/纳米尺寸的六角对称碟状结构，本发明以其制备的微/纳米碟作为增益介质，以其内壁全反射构成回音壁模激光腔而且本发明制备的六重对称的碟状氧化锌微纳米结构是单晶结构，其方法简单。
文档编号B82B3/00GK101045548SQ20071002054
公开日2007年10月3日 申请日期2007年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者徐春祥, 朱光平, 李欣, 刘金平, 郑科 申请人:东南大学