Спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікроструктурованих матеріалів zno

Реферат: Спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікроструктурованих матеріалів ZnO, за яким готують суміш порошків у масовому співвідношенні 1:1, наповнюють нею ванночку прямокутної форми на 70 %, і разом з кремнієвою підкладкою з кристалічною орієнтацією (100), розташованою на віддалі 2-4 мм від суміші, поміщають горизонтально у нагрівник. Як суміш порошків використовують порошок металічного Zn з порошком активованого вугілля, яку витримують упродовж 30-60 хв. у нагрівнику при 450-600 °C в атмосфері повітря та охолоджують на повітрі до кімнатної температури. UA 93926 U (12) UA 93926 U UA 93926 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі квантової електроніки, а саме до активних елементів лазерів з оптичним нагнітанням і може бути використаною при конструюванні потужних напівпровідникових лазерних пристроїв в ультрафіолетовому спектральному діапазоні з малим порогом нагнітання. Відомий спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі порошку ZnO [Cao H. Microlaser made of disordered media / H. Cao, J. Xu, E. Seelig [et al.] // Appl. Phys. Letters. - 2000. - V. 76. - P. 2997-2999]. Порошок ZnO з розмірами зерен у декілька мікрон синтезують при температурі 160 °C реакціями преципітації з 50 мМ розчину ацетату цинку дигідрату у 300 мл діетилен гліколю. Розміри порошку визначають за допомогою растрової електронної мікроскопії. Оптичне нагнітання в активному елементі лазера на основі порошку ZnO здійснюють Nd:YAG лазером з тривалістю імпульсу 15 пікосекунд. Промінь Nd:YAG лазера фокусують оптичною лінзою на мікропорошок ZnO зі середнім розміром зерна 1,7 мкм. При кімнатній температурі випадкове лазерне випромінювання на довжині хвилі 382 нм з порогом 2 генерації приблизно 1840 кВт/см реєструють чутливою до ультрафіолету цифровою камерою, під'єднаною до спектрометра з роздільною здатністю 0,13 нм. Недоліки: немає виділеного напрямку лазерного випромінювання та високий поріг генерації. Відомий спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі наноголок ZnO [Gruzintsev A. Dependence of the stimulated luminescence threshold in ZnO nanocrystals on their geometric shape / A. Gruzintsev, A. Redkin, С. Barthou // Semiconductors. 2010. - V. 44. - P. 628-633]. Наноголки ZnO вирощують на кремнієвих підкладках з кристалографічною орієнтацією (111) хімічним вакуумним осадженням. Як вихідний матеріал використовують металічний цинк високої чистоти (99,999 %) і киснево-азотну суміш (20 % кисню). Синтез проводять у двозонному кварцовому реакторі проточного типу. У першій зоні відбувається випаровування цинку при температурі 640 °C. У другу зону поміщають підкладку, де пари цинку взаємодіють з киснем при температурі 620 °C. Киснево-азотну суміш подають в реактор зі швидкістю 1 л/год. Витрати цинку складають 20-28 г/год. Тиск в реакторі підтримують на рівні 5 Торр. Синтез проводять протягом 30 хв. Після синтезу для вирівнювання стехіометрії зразки додатково протягом 30 хв. при температурі 620 °C відпалюють у потоці повітря без випаровування цинку. Розміри наноголок визначають за допомогою растрової електронної мікроскопії. Оптичне нагнітання в активному елементі лазера на основі ZnO наноголок довжиною приблизно 10 мкм і середнім діаметром поблизу основи 0,6 мкм здійснюють азотним лазером з довжиною хвилі =337,1 нм, з тривалістю імпульсу 0,6 не. Лазерне випромінювання 2 на довжині хвилі 390 нм з порогом генерації приблизно 2500 кВт/см реєструють багатоканальним детектором під'єднаним до спектрометра. Недоліки: дороговартісне обладнання, яке використовують для виготовлення активного елемента лазера, немає виділеного напрямку лазерного випромінювання та високий поріг генерації. Відомий спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі нанострижнів ZnO [Gruzintsev A. Dependence of the stimulated luminescence threshold in ZnO nanocrystals on their geometric shape / A. Gruzintsev, A. Redkin, С. Barthou // Semiconductors. 2010. - V. 44. - P. 628-633]. Нанострижні ZnO вирощують на кремнієвих підкладках з кристалографічною орієнтацією (111) хімічним вакуумним осадженням. Як вихідний матеріал використовують металічний цинк високої чистоти (99,999 %) і киснево-азотну суміш (20 % кисню). Синтез проводять у двозонному кварцовому реакторі проточного типу. У першій зоні відбувається випаровування цинку при температурі 670 °C. У другу зону поміщають підкладку, де пари цинку взаємодіють з киснем при температурі 620 °C. Киснево-азотну суміш подають в реактор зі швидкістю 1 л/год. Витрати цинку складають 20-28 г/год. Тиск в реакторі підтримують на рівні 5 Торр. Синтез проводять протягом 30 хв. Після синтезу для вирівнювання стехіометрії зразки додатково протягом 30 хв. при температурі 620 °C відпалюють у потоці повітря без випаровування цинку. Розміри нанострижнів визначають за допомогою растрової електронної мікроскопії. Оптичне нагнітання в активному елементі лазера на основі ZnO нанострижнів довжиною приблизно 3 мкм і середнім діаметром 0,12 мкм здійснюють азотним лазером з довжиною хвилі =337,1 нм, з тривалістю імпульсу 0,6 нс. Лазерне випромінювання на довжині 2 хвилі 383 нм з порогом генерації приблизно 600 кВт/см реєструють багатоканальним детектором, під'єднаним до спектрометра. Недоліки: дороговартісне обладнання, яке використовують для виготовлення активного елемента лазера, та високий поріг генерації. Відомий спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі тонкої плівки ZnO [Tang Z. К. Room-temperature ultraviolet laser emission from self-assembled ZnO microcrystallite thin films / Z. K. Tang, G. K. L. Wong, P. Yu, M. Kawasaki, A. Ohtomo, H. Koinuma 1 UA 93926 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 and Y. Segawa // Appl. Phys. Letters. - 1998. V. 72. P. 3270-3272]. Мікрокристалічну плівку ZnO товщиною 50 нм на сапфіровій (0001) підкладці отримують лазерною молекулярно-променевою -6 епітаксією при температурі 500 °C і тиску кисню 10 Торр при розпиленні KrF ексімерним лазером керамічної мішені з ZnO (99,999 %). Оптичне нагнітання в активному елементі лазера на основі плівки ZnO здійснюють Nd:YAG лазером з тривалістю імпульсу 15 пікосекунд. Реєструють лазерне випромінювання на довжині хвилі 388 нм з порогом генерації приблизно 40 2 кВт/см . Недоліки: дороговартісне обладнання, яке використовують для виготовлення активного елемента лазера, та високий поріг генерації. Найближчим за технічним рішенням до пропонованої корисної моделі-прототипом є спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікротрубок ZnO [Sun X. W. Room-temperature ultraviolet lasing from zinc oxide microtubes / X. W. Sun, S. F. Yu, C. X. Xu, С. Yuen, B. J. Chen and S. Li // Jpn. J. Appl. Phys. - 2003. - V. 42. - P. L1229-L1231]. За цим способом виготовляють активний елемент лазера з оптичним нагнітанням шляхом вирощування мікротрубок ZnO на кремнієвій підкладці з острівковою плівкою міді з парової фази цинку, яка утворюється в результаті редукційного процесу між порошком ZnO і графітом при температурі 900 °C. Суміш порошків ZnO і графіту, взятих у масовому співвідношенні 1:1, та підкладку розміщують у різних ділянках запаяної з одного боку кварцової трубки - суміш у ділянці поблизу запаяного кінця, а підкладку - відкритого. Трубку поміщають горизонтально у нагрівник так, щоб суміш була у зоні, де температура 900 °C, а підкладка - у зоні 600 °C, витримують упродовж 30 хв., а потім охолоджують у нагрівнику або на повітрі до кімнатної температури. В результаті отримують мікротрубки діаметром 5-10 мкм, довжиною 10-100 мкм і товщиною стінок 150-2500 нм). Оптичне нагнітання в активному елементі лазера на основі мікротрубок ZnO здійснюють Nd:YAG лазером з довжиною хвилі 355 нм. Промінь Nd:YAG лазера спрямовують на мікротрубки ZnO під кутом 60°-70° до площини підкладки. Реєструють лазерне випромінювання від ZnO мікротрубок на довжині хвилі 393 нм з порогом генерації 2 приблизно 500 кВт/см . Недоліки: використання високих температур для виготовлення активного елемента лазера. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікроструктурованих матеріалів ZnO шляхом підбору вихідних матеріалів-реагентів та технологічних режимів, що дозволить здешевити процес і розширити перелік існуючих типів активних елементів лазера. Поставлена задача вирішується тим, що у способі виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікроструктурованих матеріалів ZnO, за яким готують суміш порошків у масовому співвідношенні 1:1, наповнюють нею ванночку прямокутної форми на 70 % і разом з кремнієвою підкладкою з кристалічною орієнтацією (100), розташованою на віддалі 2-4 мм від суміші, поміщають горизонтально у нагрівник, при цьому як суміш порошків використовують порошок металічного Zn з порошком активованого вугілля, яку витримують упродовж 30-60 хв. у нагрівнику при 450-600 °C в атмосфері повітря та охолоджують на повітрі до кімнатної температури. Автори вперше запропонували спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікропризм ZnO з парової фази в атмосфері повітря. Експериментально визначили оптимальні параметри росту мікропризм ZnO та вивчили їхню лазерну генерацію при оптичному нагнітанні. Як відомо з літературних джерел [Wang D. Morphology and photoluminescence properties of ZnO nanostructures fabricated with different given time of Ar / D. Wang, J. Yang, L. Yang, Y. Zhang, J. Lang, M. Gao // Cryst. Res. Technol. - 2008. - V. 43, № 10. - P. 1041-1046], механізм утворення наноструктур ZnO у способі вирощування з парової фази можна описати за допомогою реакцій відновлення (Zn(тверде тіло) + С(тверде тіло) + О2 → Zn(пара) + СО2) в області високих температур та реакцій окиснення (Zn(рідкий стан) + СО2 → ZnO(тверде тіло) + CO; 2Zn(рідкий стан) + О2 → 2ZnO(тверде тіло) в області нижчих температур. Оксид цинку має гексагональну кристалічну структуру. В кристалографічному напрямі [0001] 2+ 2(вісь с) спостерігається чергування площин, утворених з іонів Zn та іонів О , тоді як у напрямах, перпендикулярних до осі с, площини формуються рівною кількістю позитивних та негативних іонів. Цим зумовлена тенденція росту ZnO вздовж осі с, викликана необхідністю мінімізації високої енергії системи внаслідок наявності полярної поверхні [Wang Z. Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications / Z. Wang // J. Phys.: Condens. Matter. - 2004. № 16. - R829-R858]. Так як швидкість росту вздовж [0001] у ZnO є більшою аніж в інших кристалографічних напрямах, то у процесі росту мікроструктури відбувається зменшення діаметра вздовж осі с. 2 UA 93926 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Фіг. 1. Схематичне зображення у повздовжньому перерізі пристрою для виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікропризм ZnO, де 1 - нагрівник, 2 - керамічна ванночка, 3 - суміш порошків металічного цинку та активованого вугілля, 4 підкладка, 5 - заглушка, 6 - заглушка. Фіг. 2. Зображення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікропризм ZnO. Фіг. 3. Спектр фотолюмінесценції мікропризм ZnO, отриманий при кімнатній температурі. Фіг. 4. Спектр лазерного випромінювання при оптичному нагнітанні активного елемента на основі мікропризм ZnO. Фіг. 5. Поляризаційна залежність генерації лазера з оптичним нагнітанням з активним елементом на основі мікропризм ZnO. Спосіб виготовлення активного елемента лазера можна проілюструвати наступним прикладом: Вмикають нагрів муфельної, горизонтальної електропечі "СОУЛ-044" і за допомогою системи регулювання і стабілізації температури "РИФ-101" виставляють температуру 600 °C в електропечі. Готують суміш порошків металічного Zn марки ПЦ-2 і активованого вугілля у масовому співвідношенні 1:1 масою 3 г і заповнюють нею на 70 % керамічну ванночку, прямокутної форми, з габаритними розмірами 10 мм × 10 мм × 70 мм. Кремнієву монокристалічну пластинку кристалографічної орієнтації (100) розміром 10 мм × 15 мм занурюють на 1 хв. у розчин HF:H2O=1:7 для зняття оксидного шару, після чого промивають в ультразвуковій ванні протягом 10 хв. в ацетоні, метанолі і деіонізованій воді, почергово. У центральну зону електропечі, нагрітої до температури 600 °C, поміщають горизонтально підготовлену керамічну ванночку, поверх якої розміщують кремнієву підкладку на відстані 2-4 мм від суміші порошків, що забезпечує певний рівень тиску парів Zn, достатній для росту мікропризм ZnO. Через 30-60 хв. електропіч вимикають. Увесь технологічний процес відбувається в атмосферному повітрі без додаткового використання будь-яких газів. Після самовільного охолодження до кімнатної температури керамічної ванночки в електропечі виймають підкладку. На ній отримують однорідно осаджений шар білого кольору, тобто осаджений оксид цинку. Вивчення морфології поверхні за допомогою растрового електронного мікроскопа-мікроаналізатора РЕММА-102-02, дозволило встановити, що в результаті отримують 2 мікропризми ZnO гексагональної форми висотою до 15 мкм з площею основ від 3 мкм до 50 2 мкм . В залежності від часу росту та температури електропечі отримують різну концентрацію гексагональних мікропризм ZnO з різними геометричними розмірами. Для оптичного нагнітання в активному елементі лазера на основі мікропризм ZnO використовують Nd:YAG лазер з довжиною хвилі 266 нм. Промінь Nd:YAG лазера фокусують кварцовою лінзою з фокусною відстанню 7,5 см на мікропризми ZnO. Реєстрацію строго поляризованого лазерного випромінювання від ZnO мікропризм на довжині хвилі 390 нм з порогом генерації приблизно 685 2 кВт/см здійснюють за допомогою цифрової камери, під'єднаної до автоматичного монохроматора/спектрографа М266 при куті реєстрації близькому до нормалі підкладки. Корисна модель забезпечує передбачуваний технічний результат - зниження витрат при виготовленні активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікроструктурованих матеріалів ZnO. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Спосіб виготовлення активного елемента лазера з оптичним нагнітанням на основі мікроструктурованих матеріалів ZnO, за яким готують суміш порошків у масовому співвідношенні 1:1, наповнюють нею ванночку прямокутної форми на 70 %, і разом з кремнієвою підкладкою з кристалічною орієнтацією (100), розташованою на віддалі 2-4 мм від суміші, поміщають горизонтально у нагрівник, який відрізняється тим, що як суміш порошків використовують порошок металічного Zn з порошком активованого вугілля, яку витримують упродовж 30-60 хв. у нагрівнику при 450-600 °C в атмосфері повітря та охолоджують на повітрі до кімнатної температури. 3 UA 93926 U 4 UA 93926 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5