[发明专利]飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于微纳米材料制备和飞秒激光微加工技术领域，特别涉及飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置。

背景技术

ZnO是一种性能优异的宽禁带半导体材料，在紫外发光、紫外探测、压电、光电子及催化等领域有着十分广泛的应用。而当ZnO尺寸为纳米级时，会表现出更为独特的光活性、电活性、烧结活性和催化活性，因此ZnO纳米棒、纳米线等纳米结构在光电、传导、传感以及生化等许多领域有新的重要应用。目前，常规的ZnO纳米材料的制备方法包括真空冷凝法、沉淀法、溶胶凝胶法、脉冲电子沉积法、电弧蒸发法、微乳液法及模板法等，然而均存在比较明显的不足之处，特别是制备性能优异的阵列式分布的ZnO纳米线方面，同时这些制备方法还存在成本高、工艺复杂、产量低等缺点，难以满足今后ZnO纳米材料与器件迅速发展的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服在先技术的不足，提供一种飞秒激光制备氧化锌纳米线阵列的方法及其装置，该方法具有工艺简单、原材料消耗和成本低、制备效率高、制备出的氧化锌纳米线阵列均匀性好等特点，装置可操控性强、适用范围广。

本发明的技术解决方案是：

将一束光飞秒激光经透镜聚焦辐照在氧化锌靶材上，产生周期性纳米线阵列，其具体步骤如下：

1)选用脉冲宽度为20-120fs、波长为325-1200nm的超短脉冲激光，经一个凸透镜聚焦；

2)选用基底为石英玻璃、普通玻璃或硅材料的氧化锌靶材；

3)通过控制超短脉冲激光单脉冲能量10uJ-5mJ、脉冲频率10Hz-100kHz和脉冲宽度20-120fs，使激光作用于氧化锌靶材上，从而在光束聚焦的微区内诱导出周期性纳米线阵列。

所说的氧化锌靶材为高纯度及掺杂的氧化锌材料。

所说的氧化锌靶材的厚度为5μm-2mm。

由激光加载系统和靶材装夹系统依次连接构成，激光加载系统由飞秒激光器和光开关、反射镜和凸透镜组成，由飞秒激光器输出的飞秒激光束经过光开关、反射镜和凸透镜聚焦到靶材装夹系统。

在光开关、反射镜之间依次设置倍频晶体、滤光片。

在飞秒激光器和光开关之间设置光学参量放大器。

所述的靶材装夹系统由氧化锌靶材、二维精密位移台和控制计算机组成。氧化锌靶材固定在二维精密位移台上，控制计算机与二维精密位移台相连。

本发明的优点在于：

(1)本发明利用飞秒激光脉冲直接诱导周期氧化锌纳米线阵列，具有制备工艺简单、原材料消耗和成本低、制备效率高、制备出的氧化锌纳米线阵列均匀性好等特点，装置可操控性强、适用范围广。

(2)本发明利用二维平移台均匀移动氧化锌材料，使飞秒激光焦点在其表面进行扫描，实现大面积的氧化锌纳米线阵列制备；

(3)本发明可诱导产生直径100-300nm，长度1-5um的氧化锌纳米线阵列，可以满足在光电、传导、传感以及生化等领域的需要。

附图说明

图1为本发明800nm飞秒激光在氧化锌靶材上制备周期性纳米线阵列的方法的示意图。

图2为本发明400nm飞秒激光在氧化锌靶材上制备周期性纳米线阵列的方法的示意图。

图3为本发明325nm飞秒激光在氧化锌靶材上制备周期性纳米线阵列的方法的示意图。

图4(a)为实施例1中飞秒激光诱导前用扫描电镜(5000x/20kV)观察到的氧化锌材料表面图.

图4(b)为实施例1中脉冲宽度为30fs的脉冲激光诱导氧化锌靶材制备的直径150nm，长度2um的氧化锌周期性纳米线阵列。

图片是用扫描电镜(5000x/20kV)观察到的结果。

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，由飞秒激光器1发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为1mJ的激光束，通过光开关2、反射镜3焦距为100mm的聚焦透镜4将光束聚焦在氧化锌靶材5上，氧化锌靶材固定在二维精密位移台上，氧化锌靶材的运动由计算机控制二维精密位移台完成。飞秒激光聚焦光斑直径约为100um。这样在激光辐照区逐步形成了周期纳米结构。