一種波浪狀納米帶及基于波浪狀納米帶的納米激光器陣列制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種波浪狀納米帶及基于波浪狀納米帶的納米激光器陣列制備方法。
【背景技術】
[0002]納米激光器是大小在納米尺度的激光器，可以為下一代高集成度光子學電路中提供相干光源。半導體納米線和納米帶既可以作為光增益介質又可以作為天然的光學諧振腔，所以基于半導體納米線或納米帶激光器被認為是重要、最具實用前景的納米尺度激光器。目前，基于單根半導體納米線或納米帶激光器已經可以在光泵浦或電泵浦下實現。除了這些基于單光學腔的納米線或納米帶激光器，納米尺度波導光學腔或激光器的有序組裝集成在光子學領域具有極其重要應用前景。
[0003]Yang的研究組報道了一種基于梳狀ZnO納米線光波導陣列，并實現了紫外激光器陣列。最近Liu等人也成功制備了類似的CdS梳狀納米線光波導陣列。上述納米線光波導陣列的每個光學腔分別由各個側枝納米線所構成。與之相比，納米帶同時具有長度方向和寬度方向的兩個光學諧振腔。但是對于普通的表面平整的半導體納米帶，在寬度方向的光振蕩很難被觀察到。這是由于它們缺少空間分離的光學腔來實現對光沿納米帶寬度方向的限域。如果能在納米帶寬度方向上形成一系列空間分離的光學腔，這些光學腔將沿著納米帶長度方向上形成納米光學腔陣列，進而實現基于單根納米帶的納米激光器陣列，這是目前一直待解決的問題。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述現有技術的不足提供了一種波浪狀納米帶及基于波浪狀納米帶的納米激光器陣列及其制備方法。
[0005]一種波浪狀CdS納米帶的制備方法，通過管式反應裝置實現波浪狀CdS納米帶的制備，所述的管式反應裝置的一端為氣體入口端，另一端為氣體出口端，管式反應裝置內從氣體入口端到氣體出口端依次設置1、I1、III三個溫區；
[0006]進行波浪狀CdS納米帶的制備時，將Sn粉、CdS粉和表面沉積有Au膜的Si片依次分別放置在1、I1、III三個溫區內，先從氣體入口端通入惰性氣體，再對管式反應裝置進行程序加熱升溫，使1、I1、III溫區的溫度分別維持在不低于200°C、800?880°C和550?650°C的范圍內進行反應，反應完成后，冷卻，即在Si片上獲得所述的波浪狀CdS納米帶；
[0007]其中，CdS粉和Sn粉的質量比為30:1?30:10。
[0008]所述表面沉積有Au膜的Si片放置在瓷舟上，所述瓷舟是用于做化學氣相沉積(CVD)實驗時的用具；
[0009]優選的，將管式反應裝置的溫區II進行程序升溫，使得溫區1、溫區II和溫區III的溫度分別維持在不低于200°C、800?880°C和550?650°C。
[0010]對管式反應裝置進行升溫前，惰性氣體氣流速度維持在10-30SCCM ；
[0011]對管式反應裝置進行升溫時，升溫速度控制在35-40°C /min ；
[0012]優選的,所述表面沉積有Au膜的Si片中Au膜的厚度為3-10nm。
[0013]優選的，所述的先從氣體入口端通入惰性氣體是指通過對管式裝置以20-60SCCM的流速通入高純Ar氣1-2個小時，直至管式爐內氧氣排空；
[0014]其中，SCCM為體積流量單位，標準狀態暈升每分鐘流量值。
[0015]優選的，所述對管式反應裝置進行程序加熱過程持續0.5-2小時，使1、I1、III溫區的溫度分別維持在不低于200°C、800?880°C和550?650°C的范圍內。
[0016]優選的，所述對管式反應裝置進行恒溫加熱過程持續1.5-2小時，使1、I1、III溫區的溫度分別維持在200?220°C、860?880°C和600?650°C的范圍內。
[0017]【當管式裝置中心溫度為800-880°C時，Sn粉所處的位置和Si片所處的位置溫度分別為不低于200°C和550-650°C,具體位置的溫度事先標定好。】
[0018]一種波浪狀CdS納米帶，基于所述的一種波浪狀納米帶的制備方法，所得的波浪狀CdS納米帶表面呈波浪狀。
[0019]一種基于波浪狀CdS納米帶的納米激光器陣列制備方法，利用一定功率的飛秒或納秒的激光對所述的波浪狀CdS納米帶進行寬照激發，在所述波浪狀CdS納米帶中每個納米脊狀結構端點將會發出半高寬小于Inm的發射線，所述波浪狀CdS納米帶中的每個脊狀結構形成一個作為激光器的光波導腔，則沿波浪狀CdS納米帶長度方向的波導腔組成納米激光器陣列；
[0020]所述一定功率的飛秒或納秒激光是指激光功率高于所述波浪狀CdS納米帶的激射閾值，所述CdS納米帶的激射閾值為每根CdS納米帶本身的固有屬性。
[0021]【將所述的波浪狀CdS納米帶分散在石英襯底上，利用高于CdS帶隙能量的激光激發納米帶，波浪狀CdS納米帶每個納米脊狀結構的兩個端點將波導出光形成光點，則波浪狀CdS納米帶兩側的發光點沿著長度方向形成的兩列發光點陣列。即所述的波浪狀CdS納米帶上的脊狀結構可以形成波導腔，波導腔是形成納米激光器的前提。
[0022]在實際操作過程中，也可使用其他表面平整的襯底，如Si片、MgF2、藍寶石等襯底，，表面平整是由于在光學顯微鏡下觀察需要樣品每個位置處于同一水平高度才可以同時被觀察的到；如果不分散，現象都存在。
[0023]利用光子能量高于CdS帶隙的飛秒或納秒激光對所述的波浪狀CdS納米帶進行寬照激發，利用低強度的飛秒或納秒的激光對所述的波浪狀CdS納米帶進行寬照激發，則所述波浪狀CdS納米帶中納米脊狀結構端點發光具有自發輻射光譜特征；
[0024]利用高強度的飛秒或納秒的激光對所述的波浪狀CdS納米帶進行寬照激發，當激發強度高于受激閾值時，則所述波浪狀CdS納米帶中納米脊狀結構端點的發光是受激輻射。】
[0025]一種基于波浪狀CdS納米帶的納米激光器陣列，采用所述的一種基于波浪狀CdS納米帶的納米激光器陣列制備方法，由沿著波浪狀CdS納米帶長度方向排列的納米激光器得到納米激光器陣列，所述納米激光器為波浪狀CdS納米帶中的脊狀波導。
[0026]通過控制CVD生長CdS過程中的條件，在CdS納米帶上形成周期排列的三角形截面的脊狀局域微腔實現光在沿納米帶長度方向波導過程中被限域局域微腔中，進一步實現光在微腔中的放大激射，形成沿納米帶寬度方向的光振蕩，最終構成納米激光器陣列。
[0027]有益效果
[0028]本發明提供的一種波浪狀納米帶及基于波浪狀納米帶的納米激光器陣列制備方法，首先，通過大量的實驗分析得出了如何控制生長過程中氣氛條件，巧妙地實現了波浪狀CdS納米帶的制備。微結構表征結果表明本波浪狀CdS納米帶的形成是由厚度周期變化而引起，形成沿寬度方向具有三角形截面的納米結構，這些結構沿納米帶長度方向周期排列而形成脊狀結構。利用光在納米帶中波導時，納米帶中脊背狀結構可以形成沿納米帶寬度方向的光學腔對光進行限域，進而引起光在這些光學腔內的諧振激射。基于這一特性，利用波浪狀CdS納米帶在光激發下產生激光器陣列，從而解決了常規表面平整的納米帶無法觀察到沿寬度方向的光振蕩，并實現基于納米帶的納米波導腔和激光器陣列。本發明所述的納米帶也適用于制備電泵浦納米激光器陣列。
【附圖說明】
[0029]圖1為制備波浪狀CdS納米帶的CVD實驗裝置示意圖；
[0030]圖2為應用本發明所述方法制備得到的波浪狀CdS納米帶微結構表征結果，其中，(a)為波浪狀CdS納米帶的SEM圖；(b)為分散在Si片上的單根波浪狀CdS納米帶的側面掃描電鏡圖像(SEM)，(c)為分散在Si片上單根波浪狀CdS納米帶的原子力顯微鏡圖像(AFM)，(d)為圖(c)中所示截面的AFM的截面圖；
[0031]圖3為單根波浪狀CdS納米帶光學圖像及指定位置點的光譜圖，其中，(a)為單一分散的波浪狀CdS納米帶明場光學顯微鏡圖像，(b)為作為激發點的Pl點在局域光激發下CdS納米帶的暗場光學顯微鏡圖像，(C)對應于Pl，P2，P3，P4位置發光的光譜圖；
[0032]圖4為在不同激發強度下，波浪狀CdS納米帶同一位置上的發射光譜，其中，(a)表不激發光的光強為24kW/cm2, (b)表不激發光的光強為170kW/cm2, (c)表不激發光的光強為310kW/cm2，(d)表示激發光的光強為780kW/cm2;
[0033]圖5為發射線的發射強度隨激發強度關系圖。
【具體實施方式】
[0034]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0035]使用如圖1所示的裝置進行波浪狀CdS納米帶的制備，在該裝置示意圖中，其中，箭頭表示氣流的方向，顏色較深的部分為管式爐的爐體，淺色表示管式爐的石英管。內部的小舟表示各個瓷舟的位置。
[0036]實例1:
[0037]波浪狀CdS納米帶的制備方法，具體包括以下幾個步驟:
[0038]步驟1:進行波浪狀CdS納米帶的制備時，將5-50mg Sn粉、150mg CdS粉和表面沉積有3-10nm Au膜的Si片依次分別放置在1、I1、III三個溫區內；
[0039]其中，Sn粉放在氣流上游位置即溫區I中，CdS粉放在管式爐中心位置即溫區II中，Si片放在氣流下游位置即溫區III中；
[0040]【所述瓷舟是用于做化學氣相沉積(CVD)實驗時的用具；】
[0041]步驟2:對管式爐以20-60SCCM流速通入高純Ar氣1_2個小時，直至管式爐內氧氣排空；其中，SCCM為體積流量單位，標準狀態毫升每分鐘流量值；
[0042]步驟3:接著，把管式爐中的氣流速度降至10-30SCCM，然后，啟動管式爐加熱電源，以35°C /min的升溫速度將管式爐的中心溫度從室溫升至800_880°C ；
[0043]步驟4:當管式爐的中心溫度在常壓下保持800_880°C，持續0.5_2小時后，進入步驟5 ;
[0044]【當管式爐中心溫度為800-880°C時，Sn粉所處的位置和Si片所處的位置溫度分別為不低于200°C和550-650°C，具體位置溫度事先標定好。】
[0045]步驟5:關閉管式爐加熱電源，待管式爐中溫度自然冷卻到室溫后，在Si片上沉積有波浪狀CdS納米帶。
[0046]實例二:
[0047]波浪狀CdS納米帶的制備方法，具體包括以下幾個步驟:
[0048]步驟1:進行波浪狀CdS納米帶的制備時，將30mg Sn粉、15