本發(fā)明涉及納米材料制備及納米激光器領(lǐng)域，具體涉及一種實現(xiàn)碲化鎵(gate)二維材料激子激光發(fā)射的方法。

背景技術(shù)：

gate作為一種新型的p型硫化物，其具有較高的空穴密度(6×10¹²cm^-2)，和其它的過渡金屬硫化物不一樣，它的體材料和原子層材料在常溫下都是直接帶隙的(1.65ev)。碲化鎵屬于單斜晶系(c2/m空間群)，六方相是其亞穩(wěn)態(tài)相。同其它二維材料一樣，gate層內(nèi)原子通過共價鍵結(jié)合，而層間則以較弱的范德瓦爾斯力結(jié)合，它的層狀由te-ga-ga-te沿著c軸組成。合適的能帶寬度使其在太陽能窗口材料和室溫輻射探測等方面都有潛在應(yīng)用，但因其晶體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這使得gate的結(jié)構(gòu)研究仍待深入，其可控合成仍然是一個亟待解決的科學(xué)問題。因此，有必要對gate的納米材料和其異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究，這將是制造高效有用的gate光電器件的關(guān)鍵。

此外，對芯片上的光激子應(yīng)用來說，相干的自發(fā)發(fā)射(激光)是一個更為關(guān)鍵的部分，不如人意的是，原子層的gate因其有限的增益體積使得光學(xué)局域和反饋能力比較弱，盡管近幾年來大量的優(yōu)秀科學(xué)家為實現(xiàn)單層硫族化合物的激射提供了幾種思路，比如利用光子晶體和分散的布拉格反射器微腔輔助增強(qiáng)硫族化合物的自發(fā)發(fā)射能力，或者在利用濕法刻蝕技術(shù)制作的hsq/si3n4系統(tǒng)中實現(xiàn)了硫族化合物的自發(fā)輻射等等。

但是在所有的類似工作中，都存在著以下兩個難以忽視的科學(xué)問題：

其一：在單層的硫族化合物材料轉(zhuǎn)移到目標(biāo)器件上的過程中引入的污染和硫族化合物材料本身的破損，顯而易見，污染容易造成自發(fā)輻射能力的減弱和引入不可控和不可解釋的他因，而材料的破損(比如褶皺)使得電子空穴在材料內(nèi)部傳播能力減弱，從而降低了自發(fā)輻射能力。

其二：采用的目標(biāo)器件，譬如光子晶體和hsq/si3n4微腔，其制作都是頗為復(fù)雜的工藝，成功率和成本會成倍增加，這并不宜于技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種實現(xiàn)gate二維材料激子激光發(fā)射的方法，利用容易合成的zno微米盤(回音壁模式，高品質(zhì)因子)作為輔助硫族化合物gate自發(fā)發(fā)射的微腔，成功實現(xiàn)了單層gate低閾值的激子發(fā)光。

本發(fā)明提供一種利用上述方法制備的zno\gate復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)gate二維材料的激射，克服單層或者少層gate二維材料本身有限的增益體積和較弱的反饋能力。

本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的。

一種實現(xiàn)gate二維材料激子激光發(fā)射的方法，包括以下工藝：

a)藍(lán)寶石片子和石英舟清洗。

首先，將1×1cm大小，厚度為0.5mm，表面平整度為0.2nm的<100>藍(lán)寶石襯底放入裝有50毫升乙醇的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗15分鐘，取出用氮氣槍吹干；接著，將吹干的藍(lán)寶石襯底放入另外一個裝有50毫升丙酮的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗15分鐘，取出用氮氣槍吹干；最后將吹干的藍(lán)寶石襯底放入100毫升的去離子水中，進(jìn)行超聲清洗10分鐘，取出用氮氣槍吹干。

b)藍(lán)寶石襯底退火。

將步驟a)中清洗干凈的藍(lán)寶石襯底直接放入本發(fā)明所用天津中環(huán)公司生產(chǎn)的雙溫區(qū)cvd爐管中，爐管直徑6英寸，抽真空至2.7pa，然后通入純度為5n，流量為1000sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣30分鐘，然后在氬氣流量為100sccm的氛圍、爐管真空度為常壓的狀態(tài)下加熱60分鐘至1000℃，退火1min，自然降溫至常溫，完成對藍(lán)寶石襯底的退火工序。

c)使用cvd的方法在藍(lán)寶石襯底上制備zno六角納米盤，作為gate材料激射的諧振腔。

所述zno合成條件為：生長源：30-70毫克鋅粉，鋅粉純度為5n，粒徑為600目；氣流條件：150-300sccm的氬氣氧氣混合氣作為載氣，氬氣氧氣比例為99:1；合成溫度條件：700-850℃；生長時間：10-60分鐘；真空度：5-10pa。

d)將準(zhǔn)備好的50-100mg的gate粉末放入石英舟，作為gate包裹層的生長源；

e)將準(zhǔn)備的源放入管式爐，抽真空3-5次致石英管內(nèi)真空度致1-5pa，然后通入純度為5n的高純氬氣至管子內(nèi)的真空度為常壓狀態(tài)，并繼續(xù)通入高純氬氣洗氣一段時間，高純氬氣作為gate生長過程中的保護(hù)氣體和運載氣體。

所述gate合成條件為：生長源：50-100毫克gate粉末，gate粉末純度為4n，粒徑為60目；氣流條件：100-200sccm的純度為5n的高純氬氣作為載氣；合成溫度條件：700-750℃；生長時間：30-90分鐘；真空度：1-5pa。

f)使用掃描電子顯微鏡、拉曼、原子力顯微鏡、透射電鏡等表征手段表征所合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后在532nm飛秒激光泵浦下測試gate的發(fā)光性質(zhì)。

借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益技術(shù)效果：

1)本發(fā)明利用cvd的方法在藍(lán)寶石襯底上制備的zno六角微米盤，成功可控的合成尺寸在1-18μm、厚度為100-1000nm的zno高質(zhì)量六角盤；且成功合成厚度約為0.7nm的處于六方亞穩(wěn)態(tài)相的單層gate堆疊層包裹zno六角納米盤。實現(xiàn)gate這種新型的有前途的p型材料的高質(zhì)量自組裝合成，這對gate這種晶體結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜的材料合成有借鑒作用，同時對gate材料以及gate和其它材料的復(fù)合材料應(yīng)用于下一代光電器件有很大的促進(jìn)作用。

2)本發(fā)明制備得到的gate/zno復(fù)合結(jié)構(gòu)用于光致發(fā)光測試，克服單層或者少層gate二維材料本身有限的增益體積和較弱的反饋能力，第一次實現(xiàn)了gate二維材料的激射。

附圖說明

圖1(a)、(b)分別為gate/zno六角微米盤結(jié)構(gòu)的掃描電鏡形貌圖；(c)為相應(yīng)的原子力顯微鏡測試圖,插圖為圖中所標(biāo)直線位置的gate薄片高度圖，0.7nm對應(yīng)單層gate的厚度；(d)gate/zno六角微米盤的x-射線衍射譜圖。

圖2(a)為gate/zno六角微米盤結(jié)構(gòu)的x-射線光電子能譜圖；(b)、(c)、(d)對應(yīng)相應(yīng)的zn2p,ga3d,te3d峰。

圖3(a)為亞穩(wěn)態(tài)六方結(jié)構(gòu)gate納米片的低分辨透射電鏡圖；(b)為gate納米片的高分辨透射電鏡圖；(c)為gate/zno六角微米盤結(jié)構(gòu)的電子能譜圖(來自掃描電鏡)；(d)為(b)圖對應(yīng)的saed圖。

圖4為gate/zno六角微米盤結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)圖；(a)為樣品拉曼測試圖；(b)為gate/zno復(fù)合六角盤結(jié)構(gòu)的在532飛秒激光不同泵浦功率下的光致發(fā)光光譜圖。

具體實施方式

本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)gate二維材料激子激光發(fā)射的方法，其工藝步驟如下：

a)在藍(lán)寶石襯底上制備zno六角微米盤，作為gate材料激射的諧振腔；

b)在長有zno六角微米盤的藍(lán)寶石襯底上合成gate材料，作為激射的增益物質(zhì)；

c)使用掃描電子顯微鏡、拉曼、原子力顯微鏡、透射電鏡等表征手段表征所合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后在532nm飛秒激光泵浦下測試gate的發(fā)光性質(zhì)。

所述zno六角微米盤尺寸大小以及gate材料的厚度等參數(shù)通過調(diào)節(jié)氣流量和溫度等條件來控制。本發(fā)明高效而且合成可控，制備得到的gate/zno六角微米盤有很高的結(jié)晶質(zhì)量，不僅對新型二維材料gate的合成有了更進(jìn)一步的研究，而且第一次實現(xiàn)了gate單層激子激光發(fā)射。

下面對本發(fā)明的實施案例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。

實施例1

一種實現(xiàn)gate二維材料激子激光發(fā)射的方法，包括步驟：

第一步，藍(lán)寶石片子和石英舟清洗。首先，將1×1cm大小，厚度為0.5mm，表面平整度為0.2nm的<100>藍(lán)寶石襯底放入裝有50毫升乙醇的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗15分鐘，取出用氮氣槍吹干；接著，將吹干的藍(lán)寶石襯底放入另外一個裝有50毫升丙酮的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗15分鐘，取出用氮氣槍吹干；最后將吹干的藍(lán)寶石襯底放入100毫升的去離子水中，進(jìn)行超聲清洗10分鐘，取出用氮氣槍吹干。

第二步，藍(lán)寶石襯底退火。將第一步中清洗干凈的藍(lán)寶石襯底直接放入本發(fā)明所用天津中環(huán)公司生產(chǎn)的雙溫區(qū)cvd爐管中，爐管直徑6英寸，抽真空至2.7pa，然后通入純度為5n，流量為1000sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣30分鐘，然后在氬氣流量為100sccm的氛圍、爐管真空度為常壓的狀態(tài)下加熱60分鐘至1000℃，退火1min，自然降溫至常溫，完成對藍(lán)寶石襯底的退火工序。

第三步，zno六角納米盤制備。用電子天平稱量30毫克純度為5n，粒徑為600目的鋅粉，放入長度、寬度、高度分別為4cm、1cm、1cm的耐高溫石英舟中，然后將石英舟放入cvd中，抽真空至4.7pa，然后通入純度為5n，流量為1000sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣30分鐘，然后在200sccm的氬氣/氧氣混合氣(比例為99:1)氛圍、常壓下加熱30分鐘至700℃，保持700℃、60分鐘，然后系統(tǒng)自然降溫至常溫狀態(tài)，完成本發(fā)明所需zno六角微米盤的制備。

第四步，換爐管。將長完zno的爐管換下，重新?lián)Q上一根干凈的6英寸爐管，并在1000sccm的高純氬氣下加熱至600℃，保持30分鐘，除去爐管內(nèi)可能有的如有機(jī)物等臟東西。

第五步，利用電子天平稱量70毫克gate粉末。純度為：4n；粒徑：60目。

第六步，gate納米材料的合成。將稱量好的gate粉末，放入長度、寬度、高度分別為4cm、1cm、1cm的耐高溫石英舟中，然后將石英舟放入cvd中，連續(xù)抽真空三次至真空度為2.6pa，然后通入純度為5n，流量為1200sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣60分鐘，然后在150sccm的氬氣氛圍、常壓下加熱30分鐘至700℃，保持700℃、60分鐘，然后系統(tǒng)自然降溫至常溫狀態(tài)，完成gate材料的制備過程。

在所述材料合成過程后，使用掃描電子顯微鏡、拉曼、原子力顯微鏡、透射電鏡等表征手段表征所合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后在532nm飛秒激光泵浦下測試gate的發(fā)光性質(zhì)。

圖1(a)、(b)為gate/zno六角微米盤結(jié)構(gòu)的掃描電鏡形貌圖；(c)為相應(yīng)的原子力顯微鏡測試圖,插圖為圖中所標(biāo)直線位置的gate薄片高度圖，0.7nm對應(yīng)單層gate的厚度；(d)gate/zno六角微米盤的x-射線衍射譜圖。由圖中可以看到，在帶有zno微米盤結(jié)構(gòu)的種子層的藍(lán)寶石襯底上，可控合成了自組裝的gate堆疊包裹層，自組裝單元為單層的等邊三角形薄片，其邊長在～150nm，厚度經(jīng)原子力顯微鏡測試得到為～0.7nm，對應(yīng)單原子層的gate厚度；此外，由xrd圖可以獲知gate/zno六角微米盤的結(jié)晶質(zhì)量非常好。

圖2(a)為gate/zno六角微米盤結(jié)構(gòu)的x-射線光電子能譜圖；(b)、(c)、(d)對應(yīng)相應(yīng)的zn2p,ga3d,te3d峰。從圖中可以各元素的化學(xué)計量比和本發(fā)明的設(shè)計一致。

圖3為從盤子上轉(zhuǎn)移下來的亞穩(wěn)態(tài)六方結(jié)構(gòu)gate納米片的透射電鏡圖測試和電子能譜測試圖。由圖可以明顯看到本發(fā)明所制備的gate納米片是很高質(zhì)量的單晶，且從其saed的標(biāo)定結(jié)果可知其為gate亞穩(wěn)態(tài)的六方相結(jié)構(gòu)，其晶面間距為0.25nm,0.3nm,0.49nm,對應(yīng)的晶面分別為<131>,<311>,<-220>。從其微區(qū)的電子能譜(eds)可以看到gate納米花包含了al,zn,ga,o,te,c元素，其中c是正常的掃描電鏡測試引入，這和本發(fā)明所述的gate/zno納米盤結(jié)構(gòu)元素成份一致。

圖4為gate/zno六角微米盤結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)圖；(a)為樣品拉曼測試圖；(b)為gate/zno復(fù)合六角盤結(jié)構(gòu)的在532飛秒激光不同泵浦功率下的光致發(fā)光光譜圖。從樣品拉曼測試圖中可以看到有ag(143cm^-1,201cm^-1),bg(150cm^-1)峰，和單層gate的拉曼峰相對應(yīng)。而100cm^-1，373cm^-1,441cm^-1則對應(yīng)zno的e2low、a-to和e2high拉曼峰。從樣品的光致發(fā)光圖可以很明顯看到激射行為，這也證明了本發(fā)明提供了實現(xiàn)gate二維材料激子激光發(fā)射的方法。

實施例2

一種實現(xiàn)gate二維材料激子激光發(fā)射的方法，包括步驟：

第一步，藍(lán)寶石片子和石英舟清洗。首先，將1×1cm大小，厚度為0.5mm，表面平整度為0.2nm的<100>藍(lán)寶石襯底放入裝有50毫升乙醇的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗15分鐘，取出用氮氣槍吹干；接著，將吹干的藍(lán)寶石襯底放入另外一個裝有50毫升丙酮的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗15分鐘，取出用氮氣槍吹干；最后將吹干的藍(lán)寶石襯底放入100毫升的去離子水中，進(jìn)行超聲清洗10分鐘，取出用氮氣槍吹干。

第二步，藍(lán)寶石襯底退火。將第一步中清洗干凈的藍(lán)寶石襯底直接放入本發(fā)明所用天津中環(huán)公司生產(chǎn)的雙溫區(qū)cvd爐管中，爐管直徑6英寸，抽真空至2.7pa，然后通入純度為5n，流量為1000sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣30分鐘，然后在氬氣流量為100sccm的氛圍、爐管真空度為常壓的狀態(tài)下加熱60分鐘至1000℃，退火1min，自然降溫至常溫，完成對藍(lán)寶石襯底的退火工序。

第三步，zno六角納米盤制備。用電子天平稱量50毫克純度為5n，粒徑為600目的鋅粉，放入長度、寬度、高度分別為4cm、1cm、1cm的耐高溫石英舟中，然后將石英舟放入cvd中，抽真空至6.5pa，然后通入純度為5n，流量為1000sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣30分鐘，然后在150sccm的氬氣/氧氣混合氣(比例為99:1)氛圍、常壓下加熱30分鐘至750℃，保持750℃、30分鐘，然后系統(tǒng)自然降溫至常溫狀態(tài)，完成本發(fā)明所需zno六角微米盤的制備。

第四步，換爐管。將長完zno的爐管換下，重新?lián)Q上一根干凈的6英寸爐管，并在1000sccm的高純氬氣下加熱至600℃，保持30分鐘，除去爐管內(nèi)可能有的如有機(jī)物等臟東西。

第五步，利用電子天平稱量50毫克gate粉末。純度為：4n；粒徑：60目。

第六步，gate納米材料的合成。將稱量好的gate粉末，放入長度、寬度、高度分別為4cm、1cm、1cm的耐高溫石英舟中，然后將石英舟放入cvd中，連續(xù)抽真空三次至真空度為3.6pa，然后通入純度為5n，流量為1200sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣60分鐘，然后在200sccm的氬氣氛圍、常壓下加熱30分鐘至750℃，保持750℃、30分鐘，然后系統(tǒng)自然降溫至常溫狀態(tài)，完成gate材料的制備過程。

在所述材料合成過程后，使用掃描電子顯微鏡、拉曼、原子力顯微鏡、透射電鏡等表征手段表征所合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后在532nm飛秒激光泵浦下測試gate的發(fā)光性質(zhì)。

實施例3

一種實現(xiàn)gate二維材料激子激光發(fā)射的方法，包括步驟：

第一步，藍(lán)寶石片子和石英舟清洗。首先，將1×1cm大小，厚度為0.5mm，表面平整度為0.2nm的<100>藍(lán)寶石襯底放入裝有50毫升乙醇的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗15分鐘，取出用氮氣槍吹干；接著，將吹干的藍(lán)寶石襯底放入另外一個裝有50毫升丙酮的燒杯中，進(jìn)行超聲清洗15分鐘，取出用氮氣槍吹干；最后將吹干的藍(lán)寶石襯底放入100毫升的去離子水中，進(jìn)行超聲清洗10分鐘，取出用氮氣槍吹干。

第二步，藍(lán)寶石襯底退火。將第一步中清洗干凈的藍(lán)寶石襯底直接放入本發(fā)明所用天津中環(huán)公司生產(chǎn)的雙溫區(qū)cvd爐管中，爐管直徑6英寸，抽真空至2.7pa，然后通入純度為5n，流量為1000sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣30分鐘，然后在氬氣流量為100sccm的氛圍、爐管真空度為常壓的狀態(tài)下加熱60分鐘至1000℃，退火1min，自然降溫至常溫，完成對藍(lán)寶石襯底的退火工序。

第三步，zno六角微米盤制備。用電子天平稱量70毫克純度為5n，粒徑為600目的鋅粉，放入長度、寬度、高度分別為4cm、1cm、1cm的耐高溫石英舟中，然后將石英舟放入cvd中，抽真空至4.7pa，然后通入純度為5n，流量為1000sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣30分鐘，然后在300sccm的氬氣/氧氣混合氣(比例為99:1)氛圍、常壓下加熱30分鐘至820℃，保持820℃、10分鐘，然后系統(tǒng)自然降溫至常溫狀態(tài)，完成本發(fā)明所需zno六角微米盤的制備。

第四步，換爐管。將長完zno的爐管換下，重新?lián)Q上一根干凈的6英寸爐管，并在1000sccm的高純氬氣下加熱至600℃，保持30分鐘，除去爐管內(nèi)可能有的如有機(jī)物等臟東西。

第五步，利用電子天平稱量100毫克gate粉末。純度為：4n；粒徑：60目

第六步，gate納米材料的合成。將稱量好的gate粉末，放入長度、寬度、高度分別為4cm、1cm、1cm的耐高溫石英舟中，然后將石英舟放入cvd中，連續(xù)抽真空三次至真空度為1.6pa，然后通入純度為5n，流量為1200sccm的高純氬氣至常壓狀態(tài)，洗氣60分鐘，然后在100sccm的氬氣氛圍、常壓下加熱30分鐘至730℃，保持730℃、90分鐘，然后系統(tǒng)自然降溫至常溫狀態(tài)，完成gate材料的制備過程。

在所述材料合成過程后，使用掃描電子顯微鏡、拉曼、原子力顯微鏡、透射電鏡等表征手段表征所合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后在532nm飛秒激光泵浦下測試gate的發(fā)光性質(zhì)。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。