[发明专利]一种实现碲化镓(GaTe)二维材料激子激光发射的方法

说明书

本发明公开了一种实现碲化镓(GaTe)二维材料激子激光发射的方法，其工艺步骤如下：a)在蓝宝石衬底上制备氧化锌(ZnO)六角微米盘，作为GaTe材料激射的谐振腔；b)在长有ZnO六角微米盘的蓝宝石衬底上合成GaTe材料，作为激射的增益物质；c)使用扫描电子显微镜、拉曼、原子力显微镜、透射电镜等表征手段表征所合成复合结构，然后在532nm飞秒激光泵浦下测试GaTe的发光性质。所述ZnO六角微米盘尺寸大小以及GaTe材料的厚度等参数通过调节气流量和温度等条件来控制。本发明高效而且合成可控，制备得到的GaTe/ZnO六角微米盘有很高的结晶质量，不仅对新型二维材料GaTe的合成有了更进一步的研究，而且第一次实现了GaTe单层激子激光发射。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备及纳米激光器领域，具体涉及一种实现碲化镓(GaTe)二维材料激子激光发射的方法。

背景技术

GaTe作为一种新型的P型硫化物，其具有较高的空穴密度(6×10¹²cm^-2)，和其它的过渡金属硫化物不一样，它的体材料和原子层材料在常温下都是直接带隙的(1.65eV)。碲化镓属于单斜晶系(C₂/m空间群)，六方相是其亚稳态相。同其它二维材料一样，GaTe层内原子通过共价键结合，而层间则以较弱的范德瓦尔斯力结合，它的层状由Te-Ga-Ga-Te沿着c轴组成。合适的能带宽度使其在太阳能窗口材料和室温辐射探测等方面都有潜在应用，但因其晶体结构较为复杂，这使得GaTe的结构研究仍待深入，其可控合成仍然是一个亟待解决的科学问题。因此，有必要对GaTe的纳米材料和其异质结结构进行相关研究，这将是制造高效有用的GaTe光电器件的关键。

此外，对芯片上的光激子应用来说，相干的自发发射(激光)是一个更为关键的部分，不如人意的是，原子层的GaTe因其有限的增益体积使得光学局域和反馈能力比较弱，尽管近几年来大量的优秀科学家为实现单层硫族化合物的激射提供了几种思路，比如利用光子晶体和分散的布拉格反射器微腔辅助增强硫族化合物的自发发射能力，或者在利用湿法刻蚀技术制作的HSQ/Si₃N₄系统中实现了硫族化合物的自发辐射等等。

但是在所有的类似工作中，都存在着以下两个难以忽视的科学问题：

其一：在单层的硫族化合物材料转移到目标器件上的过程中引入的污染和硫族化合物材料本身的破损，显而易见，污染容易造成自发辐射能力的减弱和引入不可控和不可解释的他因，而材料的破损(比如褶皱)使得电子空穴在材料内部传播能力减弱，从而降低了自发辐射能力。

其二：采用的目标器件，譬如光子晶体和HSQ/Si₃N₄微腔，其制作都是颇为复杂的工艺，成功率和成本会成倍增加，这并不宜于技术的产业化。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种实现GaTe二维材料激子激光发射的方法，利用容易合成的ZnO微米盘(回音壁模式，高品质因子)作为辅助硫族化合物GaTe自发发射的微腔，成功实现了单层GaTe低阈值的激子发光。

本发明提供一种利用上述方法制备的ZnO\GaTe复合结构实现GaTe二维材料的激射，克服单层或者少层GaTe二维材料本身有限的增益体积和较弱的反馈能力。

本发明是通过以下的技术方案实现的。

一种实现GaTe二维材料激子激光发射的方法，包括以下工艺：

a)蓝宝石片子和石英舟清洗。

首先，将1×1cm大小，厚度为0.5mm，表面平整度为0.2nm的<100>蓝宝石衬底放入装有50毫升乙醇的烧杯中，进行超声清洗15分钟，取出用氮气枪吹干；接着，将吹干的蓝宝石衬底放入另外一个装有50毫升丙酮的烧杯中，进行超声清洗15分钟，取出用氮气枪吹干；最后将吹干的蓝宝石衬底放入100毫升的去离子水中，进行超声清洗10分钟，取出用氮气枪吹干。