专利名称：十二边形氧化锌微米棒的制备方法
技术领域：
本发明设计提供了实现十二边形氧化锌微米棒的二次生长制备方法，该方法首先利用低温水热法制备六边形氧化锌微米棒，其次利用高温气相传输法在已获得的六边形微米棒上进行二次外延生长，利用晶体生长过程中的原子吸附-解吸附动力学以及表面光滑化行为，实现氧化锌六边形微米棒逐渐转变为十二边形。本发明设计为构建高品质微腔光学晶体提供了一种简单稳定的方法。
背景技术：
自从1997年日本和香港科学家首次在氧化锌薄膜体系中观察到了紫外激光辐射，氧化锌材料的研究吸引了众多研究者的兴趣。在最近十年中，氧化锌微纳米结构的制备及其特性研究获得许多令人瞩目的成果，人们利用不同的制备方法获得了丰富的氧化锌微纳米结构，并且对其光学现象进行了深入的研究。2001年美国加利福利亚大学的科学家在 Science上首次报道了氧化锌纳米线中的法布里-珀罗模式紫外激光辐射，从而揭示了氧化锌微纳米结构在紫外微激光器和微光源领域的应用前景。2008年德国莱比锡大学的研究人员利用氧化锌微米棒的正六边形截面结构创造性的构造一种新型的回音壁模微激光器， 该微激光器利用光路在正六边形微腔内全反射从而形成回音壁模激射，这种情况下光线能够被腔体内壁全反射形成光学回路，因此光学损耗极其微弱，所以氧化锌微米棒中的回音壁模激光辐射比氧化锌纳米线中的法布里-珀罗激光辐射品质因子高。传统的回音壁模微激光器都是采用了圆形光学晶体微腔结构，因为圆形微腔的光学约束能力最强，并且边界损耗最小，然而圆形微腔难以直接获得，我们通常都利用光刻微加工的方法来获得圆形微腔，但是微加工过程无法实现边界足够光滑的圆形光学晶体微腔。氧化锌材料的纤锌矿结构特性决定了氧化锌微纳米结构通常都具有正六边形截面结构，然而正六边形微腔并非最理想的回音壁模微腔。如果能够制备出更接近于圆形的氧化锌微纳米结构，则能够实现比正六边形氧化锌微激光器更高品质和更低阈值的回音壁模微激光器，这将推进氧化锌在回音壁微激光器方面的应用。基于以上的研究背景介绍，在原有制备六边形氧化锌微纳米结构的基础上，实现更接近于圆形的十二边形氧化锌微结构将具有重要的意义。因此本专利公布了一种制备十二边形氧化锌微米棒方法，该方法能可控性的获得十二边形氧化锌微米棒，且边界光滑， 能最大限度的将光线约束在氧化锌腔体内，从而实现高品质回音壁模激光辐射。
发明内容
技术问题本发明提供一种有效的可重复的制备十二边形氧化锌微米棒的方法， 通过对反应物浓度和时间的调控，可以有效的调控十二边形氧化锌微米棒的尺寸，从而达到调控该结构中回音壁模激光辐射的品质因子和激射阈值。技术方案在本发明中，结合低温水热法和高温气相传输法进行二次生长，从而获得十二边形氧化锌微米棒结构。
本发明采用以下技术方案第一步切割衬底晶面取向为(100)的表面抛光硅片衬底，利用超声对硅片衬底
表面清洁。第二步配制浓度均为0. 02mol/L 0. 05mol/L的二水醋酸锌溶液和六次甲基四胺溶液。按体积比11将二水醋酸锌溶液和六次甲基四胺溶液混合后注入特氟龙高压反应釜内。第三步将第一步中清洗好的硅片衬底置入充满溶液的反应釜中，保持硅片衬底抛光面朝下。密封高压反应釜，而后将高压反应釜置入85°c 90°C温度范围内的烘箱内， 反应时间设置为4至6小时。反应结束后取出硅片衬底，利用去离子水反复冲洗该样品以去除氧化锌微米棒及硅片表面残留的反应溶液，随后将该样品置入90°C的烘箱内，烘干10 分钟，以去除表面残留的去离子水。第四步将纯度均为99. 99%的氧化锌粉末和碳粉末按摩尔比1 1混合后充分研磨填入陶瓷舟内。将装有反应源材料的陶瓷舟放置于试管底部，将第三部处理好的样品置于试管中距离陶瓷舟20cm处。将试管推入管式炉中，通过控温系统使陶瓷舟位于 850°C 950°C温度区，使样品衬底位于650°C 700°C温度区。第五步完成第四步后，在管式炉中通入5 IOsccm氧气和85 lOOsccm氩气， 接通管式炉真空系统，保持管式炉中气压为10 151^。第六步反应20 30分钟后，关闭真空系统，停止通入氧气和氩气后，打开管式炉，从中直接取出样品衬底后对样品进行表征，即可发现原先的六边形氧化锌微米棒转变为十二边形微米棒。有益效果与现有技术相比，本发明具有以下优点1.已报道的氧化锌回音壁模微腔均为正六边形微腔，本专利方法制备的氧化锌具有十二边形微腔，其品质因子更高。2.本发明回避了刻蚀法制备回音壁微腔激光腔的复杂过程，利用气相传输法进行二次外延生长获得的十二边形氧化锌微米棒，晶体质量高，边界光滑，有利于腔体内光线的全反射，从而提高品质因子。3.本发明制备的十二边形氧化锌微米棒直径可以通过对反应物浓度的控制进行调节，因此微腔激光器的激光模式和激光波长可调。
图1水热法制备装置示意图，图2气相传输法进行二次生长装置示意图。
具体实施例方式第一步切割衬底晶面取向为(100)的表面抛光硅片，切割后每个硅片衬底尺寸为3*km。将这些长方形小硅片衬底在丙酮溶液，乙醇容易和去离子水中依次超声5分钟， 使得硅片衬底表面清洁。第二步分别配制浓度均为0. 02mol/L 0. 05mol/L的二水醋酸锌溶液和六次甲基四胺溶液，利用磁力搅拌在室温下搅拌2小时，使二水醋酸锌和六次甲基四胺在去离子水溶液中充分溶解。而后分别按体积比1 1将二水醋酸锌溶液和六次甲基四胺溶液混合， 取80ml混合溶液注入容量为80ml的特氟龙高压反应釜内。第三步将第一步中清洗好的硅片置入充满溶液的反应釜中，保持硅片抛光面朝下(如图1所示)。密封高压反应釜，而后将高压反应釜置入温度设置为85°C 90°C范围内的烘箱内，反应时间设置为4至6小时，反应结束后立即从反应釜中取出硅片，氧化锌微米棒即生长在硅片抛光面上。利用去离子水反复冲洗该样品以去除氧化锌微米棒及硅片表面残留的反应溶液，随后将该样品置入90°C的烘箱内，烘干10分钟，以去除表面残留的去离子水。利用扫面电子显微镜对该样品表征，该样品中氧化锌微米棒的直径约为5微米，长度约为15微米。第四步将纯度均为99. 99%的氧化锌粉末和碳粉末按摩尔比1 1混合后充分研磨，将上述研磨粉末作为反应源填入陶瓷舟内。陶瓷舟长度2cm，宽度lcm，深度lcm。将装有0. 5g反应源材料的陶瓷舟放置于直径3. 5cm长度30cm的试管底端，将第三部处理好的样品衬底置于距离试管中开口处IOcm处，即样品衬底距离反应源材料下游20cm。在装入样品衬底时，保持生长了六边形氧化锌微米棒的那个表面朝下，这样可以保证六边形氧化锌微米发生二次外延生长。将该试管推入管式炉中，通过控温系统使陶瓷舟位于850°C 950°C温度区，使样品衬底位于稍低温度650°C 700°C处。图2为该步骤反应装置示意图。第五步完成第四步后，在管式炉中通入5 IOsccm氧气和85 lOOsccm氩气， 接通管式炉真空系统，保持管式炉中气压为10 151^。第六步反应20 30分钟后，关闭真空系统，停止通入氧气和氩气后，打开管式炉，从中直接取出样品衬底后对样品进行表征，即可发现原先的六边形氧化锌微米棒转变为十二边形微米棒。
权利要求
1. 一种十二边形氧化锌微米棒的制备方法，其特征在于该制备方法具体如下 第一步切割衬底晶面取向为(100)的表面抛光硅片衬底，利用超声对硅片衬底表面清洁；第二步配制浓度均为0. 02mol/L 0. 05mol/L的二水醋酸锌溶液和六次甲基四胺溶液，按体积比11将二水醋酸锌溶液和六次甲基四胺溶液混合后注入特氟龙高压反应釜内；第三步将第一步中清洗好的硅片衬底置入充满溶液的反应釜中，保持硅片衬底抛光面朝下；密封高压反应釜，而后将高压反应釜置入温度设置为85°C 90°C的烘箱内，反应时间设置为4至6小时；反应结束后取出硅片衬底，利用去离子水反复冲洗该样品以去除氧化锌微米棒及硅片表面残留的反应溶液，随后将该样品置入90°C的烘箱内，烘干10分钟， 以去除表面残留的去离子水；第四步将纯度均为99.99%的氧化锌粉末和碳粉末按摩尔比1 1混合后充分研磨填入陶瓷舟内；将装有反应源材料的陶瓷舟放置于试管底部，将第三部处理好的样品置于试管中距离陶瓷舟20cm处；将试管推入管式炉中，通过控温系统使陶瓷舟位于850°C 950°C温度区，使样品衬底位于稍低温度650°C 700°C处；第五步完成第四步后，在管式炉中通入5 IOsccm氧气和85 lOOsccm氩气，接通管式炉真空系统，保持管式炉中气压为10 15 ；第六步反应20 30分钟后，关闭真空系统，停止通入氧气和氩气后，打开管式炉，从中直接取出样品衬底后对样品进行表征，即可发现原先的六边形氧化锌微米棒转变为十二边形微米棒。
全文摘要
本发明公开了一种制备具有十二边形氧化锌微米棒的方法。该方法结合了水热法和气相传输法进行二次生长，首先利用水热法制备六边形氧化锌微米棒，其次利用气相传输法进行二次外延生长，在气相传输法过程中六边形氧化锌微米棒的侧面原子因发生解吸附，从而实现截面结构从六边形向十二边形的转化。该方法简单易操作，制作成本低，并且可以实现可控制备。这种十二边形氧化锌微米棒可以应用于设计超高品质因子和超低阈值的紫外微激光器。
文档编号B82Y40/00GK102515251SQ20111044376
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者徐春祥, 戴俊 申请人:东南大学